圧力勾配型プラズマ発生装置およびそれを用いた成膜装置
【課題】第１中間電極の損傷を防止でき、磁界強度を容易に変更できる圧力勾配型プラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、第１および第２中間電極は、所定の大きさのオリフィスを備える。第１中間電極２は、内部に電磁石が配置されている。この電磁石は、オリフィス２ａを取り囲むように周方向に沿って配置した複数のコイル５１〜５４を含む。これにより、環状の永久磁石を配置した場合と同様に、外側のループ状の磁力線５５と内側のループ状の磁力線５６とを形成することができ、オリフィス２ａ内に磁界を形成するとともに、陰極側の側面に平行な磁界５７，５８を広範囲に形成できる。
【解決手段】順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、第１および第２中間電極は、所定の大きさのオリフィスを備える。第１中間電極２は、内部に電磁石が配置されている。この電磁石は、オリフィス２ａを取り囲むように周方向に沿って配置した複数のコイル５１〜５４を含む。これにより、環状の永久磁石を配置した場合と同様に、外側のループ状の磁力線５５と内側のループ状の磁力線５６とを形成することができ、オリフィス２ａ内に磁界を形成するとともに、陰極側の側面に平行な磁界５７，５８を広範囲に形成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク放電を用いる圧力勾配型プラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流放電によって高密度のプラズマを発生しつつも、陰極近傍を不活性ガスの高い圧力で保護し、プラズマ中のイオン衝突による陰極損傷を防止した圧力勾配型のプラズマガンをアシスト源に利用した成膜装置が、特許文献１、２に記載されている。
【０００３】
従来、ホローカソード方式等のアーク放電を利用したプラズマ源は、熱陰極の損傷が激しく短寿命であるという問題があった。特許文献１および２に記載の圧力勾配型プラズマガンでは、中心部に小さな貫通孔（オリフィス）を備えた第１および第２中間電極を陰極と陽極との間に配置し、通過するガスのコンダクタンスを小さくすることにより、陰極領域と陽極領域との間に圧力差（圧力勾配）を形成するとともに、陰極と陽極との電位勾配を緩やかに形成することにより、この問題を解決している。
【０００４】
すなわち、圧力勾配型プラズマガンは、上記中間電極により、陰極領域の圧力を１０Ｐａ前後、陽極領域の圧力を０．１Ｐａ前後に圧力勾配をつけて保つことができる。このため、陰極領域でのイオンの平均自由行程を極めて短くでき、陽極領域からのイオン逆流衝突による陰極の損傷を避けることができる。また、陽極領域に化学的活性化気体（Ｏ２、Ｎ２等）を導入して混合プラズマを形成する場合にも、陰極領域に満たす不活性気体の圧力が陽極領域より１０３倍程度高いため、化学的活性気体が陰極領域に流入するのを防止ででき、陰極の化学的損傷が避けられる。
【０００５】
第１および第２中間電極を配置した構造で放電を維持するためには、十分な量の電子が小さなオリフィスを通過する必要がある。そのため、陰極側に位置する第１中間電極内には、リング状の永久磁石が配置され、陽極側に位置する第２中間電極内には円筒コイル状の電磁石が配置され、オリフィス内に陰極から陽極に向かう磁界を形成している。電子は、この磁界に沿って進むことによりオリフィス内で収束し、十分な量の電子が中間電極を通過できる。
【０００６】
このような圧力勾配型プラズマガンを利用することにより、多くの金属や誘電体を蒸発させ、または蒸発させた原料を活性化させることができ、すぐれた薄膜が得られることが特許文献２等により報告されている。ペロブスカイト型酸化物であるPZT(Pb(ZrxTi1-x)O3)等に代表される強誘電体や圧電体を、比較的低い成膜温度で結晶性の良い薄膜に成膜することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３０５３３６号公報
【特許文献２】特許第４１３８１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の圧力勾配型プラズマガンにおいて、陰極に最も近い第１中間電極内にリング状の永久磁石を配置し、陽極側の第２中間電極内には電磁石を用いる理由は、第１中間電極の損傷を防ぐためである。第１中間電極の陰極側の空間には、１０Ｐａ程度の高い圧力で熱電子が大量に存在するため、熱電子により発生したイオンにより第１中間電極の陰極側の面がスパッタリングされ損傷する。このとき、第１中間電極の陰極側の側面に平行な磁界が存在すると、磁界に沿ってイオンが移動するため、第１中間電極の側面の損傷を低減することができる。永久磁石を用いることにより、第１中間電極の陰極側の側面の広い範囲に、側面に平行な磁界を形成できる。このような理由により第１中間電極には、磁界発生手段として永久磁石が用いられている。
【０００９】
第１中間電極のオリフィス（貫通孔）内の磁界の強さは、ガス種、ガス流量、放電電流の大きさ等によって最適値が異なる。従来、第２中間電極内には電磁石（コイル）が用いられているので、コイルに流す電流の大きさを変更することにより容易に磁界の強さを変更できる。しかしながら、第１中間電極の場合は、永久磁石を交換しなければ磁界の強さを変更することができない。
【００１０】
第１中間電極の永久磁石の交換方法は、具体的には、成膜装置およびプラズマガンを停止させて内部を大気圧にし、プラズマガンから第１中間電極を取り出し、永久磁石を交換し、再びプラズマガンに第１中間電極を取り付け、成膜装置およびプラズマガン内を真空にしてプラズマを発生させ、プラズマの様子を見て最適な磁界の強さになったかどうかを判断するという手順になる。この手順を繰り返し、最適なプラズマの状態が得られるまで、磁界強度の異なる永久磁石に順次交換していく必要がある。このため、磁界強度の調整に非常に時間がかかるという問題がある。また、予め磁界強度の異なる複数の永久磁石を用意しておかなければならない。さらに、成膜工程の途中でガス種やガス流量を変更した場合であっても、工程の途中では磁界強度を変更できない。
【００１１】
本発明の目的は、第１中間電極の損傷を防止でき、磁界強度を容易に変更できる圧力勾配型プラズマ発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、以下のようなプラズマ発生装置が提供される。すなわち、順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、第１中間電極および第２中間電極はいずれも、陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備える。第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、電磁石は、オリフィスを取り囲むように周方向に沿って配置した複数のコイルを含む。
【００１３】
これら複数のコイルは、扁平な形状にコイル線を巻回したものを用いることができる。また、複数のコイルはそれぞれ、オリフィスを取り囲む所定の円周を分割した円弧の周囲に、周方向に沿ってコイル線を巻回した形状のものを用いることができる。
【００１４】
また、本発明の別の態様によれば、以下のようなプラズマ発生装置が提供される。すなわち、順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、第１中間電極および第２中間電極はいずれも、陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備える。第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、電磁石は、オリフィスを取り囲む円周を分割した１以上の円弧の周囲に、それぞれ周方向に沿ってコイルを巻回した形状の１以上のコイルを含む。
【００１５】
コイルの形成する磁界は、コイルの外周側領域を通ってコイルの内部を戻るループを描く磁力線と、コイルのオリフィス側の領域を通ってコイルの内部を戻るループを描く磁力線とを形成することが望ましい。また、電磁石は、第１中間電極のオリフィス内に陰極から陽極に向かう磁界を形成するとともに、第１中間電極の陰極に対向する側面に、側面の表面に平行な磁界であって、外周領域ではオリフィスから外周に向かい、内側領域では外周からオリフィスに向かう磁界を形成することが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、第１中間電極内に複数のコイルを周方向に沿って配置したことにより、永久磁石を配置した場合と同様の磁力線を電磁石で形成することができ、電流強度の調整により磁界強度を容易に調整できる。また、第１中間電極の陰極側の側面に広範囲に表面に平行な磁界を形成できるため、第１中間電極の陰極側側面の損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第1実施形態のアーク放電イオンプレーティング装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図１の装置のプラズマガン１０の構成を示すブロック図。
【図３】図２の装置のプラズマガンの第１中間電極２内のコイルを（ａ）軸１０１を含む断面方向から見た配置を示すブロック図、（ｂ）陰極から見た配置を示すブロック図。
【図４】図２の第１中間電極２内のコイルの配置と磁力線の形状を示す説明図。
【図５】比較例１の第１中間電極１２０内の永久磁石の形状と磁力線の形状を示す説明図。
【図６】比較例２の第１中間電極２２０内のソレノイドコイルと磁力線の形状を示す説明図。
【図７】第２の実施形態の第１中間電極のコイルとコアを陰極から見た配置を示す説明図。
【図８】第３の実施形態の第１中間電極のコイルとヨークを陰極から見た配置を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態のプラズマガンを用いた成膜装置として、アーク放電イオンプレーティング装置を図１および図２を用いて説明する。図１は、このアーク放電イオンプレーティング装置の全体図であり、図２は、プラズマガン１０の拡大図である。プラズマガン１０は、電子流を反射させる反射型でかつ圧力勾配型である。
【００２０】
図１のように、真空容器１１内には、成膜すべき基板１４を支持する基板ホルダー１３と、蒸発源１２と、蒸発源１２に電子ビームを照射するための電子ビームガン（不図示）が配置されている。基板ホルダー１３には、基板１４を加熱するためのヒーターが内蔵されている。また、基板１４と蒸発源１２との間の空間に反応ガスを供給するための反応ガス導入管１５が配置されている。
【００２１】
真空容器１１の側面にはプラズマガン１０が備えられている。プラズマガン１０は、図１および図２のように、筒状のプラズマガン容器１０３に、陰極１、第１中間電極２、第２中間電極３、陽極４をプラズマ引き出し軸１０１に沿って順に配置した構造である。陰極１、第１中間電極２、第２中間電極３、陽極４は不図示のガイシによって相互に絶縁されている。陽極４の外周側には、プラズマをガイドするための空芯コイル５が配置されている。
【００２２】
陰極１は、アーク放電に適した公知の陰極構造である。陰極１には放電ガスの導入口１０２が備えられている。
【００２３】
陰極１と陽極４には、図１、図２に示したように、直流電源１６が接続されている。第１および第２中間電極２、３は適切な抵抗値のホーロー抵抗２０、２１を介して直流電源１６の正極と接続されている。ホーロー抵抗２０、２１の値は、第１および第２中間電極２、３が、陰極１側から陽極４側に近いほど高い電位になるように設定する。これにより、真空容器１１にプラズマを引き出すことができる。
【００２４】
第１および第２中間電極２、３は、それぞれ中央に所定の径の貫通孔（オリフィス）２ａ，３ａを有しており、このオリフィス２ａ，３ａが、プラズマガン容器１０３の圧力を真空容器１１よりも陽圧に維持し、圧力勾配を形成する。第１および第２中間電極２，３には、それぞれ電磁石５０，６０がそれぞれ内蔵されている。これらは、プラズマを収束させて貫通孔２ａ，３ａを通過させるための磁場を発生する。従来技術では、第１中間電極２には永久磁石が内蔵されているが、本実施形態は電磁石５０を用いることにより、電流強度の調節で磁界強度を可変にする。
【００２５】
具体的には、電磁石５０は、図３（ａ），（ｂ）および図４に示すように、第１中間電極２の本体２ｂ内の空間に、２以上のコイルをオリフィス２ａを取り囲むように周方向に沿って配置した構造である。２以上のコイルが扁平な形状である場合には、少ない数のコイルでオリフィスを取り囲むことができるため好ましい。特に、円周を複数に分割した円弧の周囲に、円弧の外側および内側に沿うように、コイル線を周方向に巻回した鞍型構造のコイルを用いた場合には、電磁石５０の外周側領域および内側（オリフィス２ａ側領域）にそれぞれ周方向に広い範囲で一様な磁界を形成できるため好ましい。
【００２６】
図３および図４の例では、４つの鞍型コイル５１〜５４をオリフィス２ａを取り囲むように配置している。鞍型コイル５１〜５４はいずれも、第１中間電極２の周方向を４分割した約９０度の円弧の周囲に、円弧の外側および内側に沿うように、コイル線を周方向に巻回した鞍型構造の空芯コイルである。
【００２７】
なお、電磁石５０を構成するコイルは、４つに限定されるものではなく、任意の数にすることができる。また、一つのコイルで電磁石５０を構成することも可能である。例えば、円周のごく一部を切り欠いた、３６０°よりもわずかに小さい円弧の周囲に、円弧の外側および内側に沿うようにコイル線を周方向に巻回した鞍型構造のコイルを用いることができる。
【００２８】
以下、図３（ａ），（ｂ）および図４の構造のコイル５１〜５４を用いる場合を例に説明する。図３（ｂ）に示すように、４つの鞍型コイル５１〜５４に、陰極１側から見て、外周側のコイル線に反時計まわりに電流が流れるように電流を供給することにより、それぞれのコイル５１〜５４の周囲には、図３（ａ），（ｂ）、図４のように磁界が発生する。これらの磁界は、各コイル５１〜５４の外周側の空間を陰極１から陽極４の方向に進み、各コイルの空芯部を陽極４から陰極１方向に戻る外側ループの磁力線５５と、各コイル５１〜５４のオリフィス２ａ側の空間を陰極１から陽極４の方向に進み、各コイルの空芯部を陽極４から陰極１方向に戻る内側ループの磁力線５６を形成する。
【００２９】
これにより、オリフィス２ａには、陰極１から陽極４の方向に軸１０１に平行な磁界が形成され、プラズマ１０５を収束させてオリフィス２ａを通過させることができる。
【００３０】
また、第１中間電極２の陰極１側の側面には、外側の磁力線５５と内側の磁力線５６のそれぞれにより、第１中間電極２の本体２ｂの表面に平行な磁界５７，５８が形成される。すなわち、第１中間電極２の本体２ｂの陰極１側の側面には、外周側領域に中心軸１０１から外向きの磁界５７が形成され、オリフィス２ａの周囲領域には中心軸１０１向きの磁界５８が形成され、これらの磁界５７，５８は、第１中間電極２の本体２ｂの表面に平行である。
【００３１】
このように、本実施形態では、内側ループおよび外側ループの磁力線５５，５６が形成されるため、第１中間電極２の陰極１側の表面に平行な磁界５７，５８を広い領域にわたって形成することができる。よって、陰極１の発生する熱電子により生じるイオンを、磁界５７，５８により第１中間電極２の表面に平行に移動させることができ、イオンが第１中間電極２の表面に衝突してスパッタリングにより損傷する現象を防止することができる。
【００３２】
鞍型コイル５１〜５４が形成する上述の磁力線５５、５６の形状は、比較例１として図５に示す従来のリング状の永久磁石１５０を内蔵した中間電極１２０の磁力線１５５，１５６と同様の形状である。よって、第１中間電極２ａの表面に平行に形成される磁界５７，５８の形状も、永久磁石１５０が形成する磁界１５７，１５８と同様の形状である。
【００３３】
これらのことから本実施形態の第１中間電極２は、扁平なコイルを用いたことにより、電磁石５０を用いた構造でありながらリング状の永久磁石１５０と同様に、陰極１側の表面の損傷を防止できる。
【００３４】
また、本実施形態の第１中間電極２に内蔵する磁界発生手段は、電磁石であるため、供給する電流量を調整することにより、容易に磁界強度を調整できる。よって、ガス種、ガス流量、放電電流の大きさ等に応じて、最適な大きさの磁界をオリフィス２ａ内に形成できる。また、磁界の大きさを容易に変更でき、プラズマ１０５を発生させた状態を維持しながら、オリフィス２ａ内の磁界を調整することも可能である。よって、永久磁石と異なり、短時間で容易に、真空を破ることなく、また、プラズマ１０５を生じさせた状態であっても、オリフィス２ａ内の磁界を調整でき、製造効率を向上させることができる。
【００３５】
図６に比較例２として、円筒形状にコイルを巻回したソレノイドコイル２５０を中心軸がオリフィス２ａに一致するように第１中間電極内２２０に配置した場合の磁界を示す。一つのソレノイドコイル２５０を第１中間電極２２０内に配置した場合、磁力線２５０としては、ソレノイドコイル２５０の内側を陰極１から陽極４の方向に進み、外側を陽極４から陰極１の方向に戻る１種類のループが形成される。よって、第１中間電極２２０のオリフィス２ａ内に陰極１から陽極４方向へ向かう磁界を形成することができる。また、第１中間電極２２０の陰極１側の側面には、表面に平行な磁界２５８が形成されるが、磁力線２５０のループが本実施形態と異なり１種類のみであるため、表面に平行な磁界２５８が形成される面積が小さい。このため、平行な磁界２５８が形成されている第１中間電極２２０の表面領域は、陰極１からのイオンによるスパッタリングによる損傷を防ぐことができるが、平行な磁界２５８が形成されていない表面領域は損傷を防止できない。
【００３６】
このように、本実施形態では、扁平なコイルを周方向に沿って配置した電磁石５０を内蔵した第１中間電極２を用いることにより、永久磁石を内蔵した第１中間電極と同様の磁界を形成して、プラズマをガイドし、かつ、第１中間電極の陰極側表面を保護することができる。しかも、電磁石５０は、永久磁石とは異なり、供給する電流の大きさを調整することにより、容易に形成される磁界強度を変更できる。
【００３７】
一方、第２中間電極３に内蔵されている電磁石６０としては、従来と同様に、中心軸がオリフィス３ａの中心軸１０１と一致したソレノイドコイルを用いる。これにより、オリフィス３ａ内に陰極１から陽極４に向かう磁界を形成し、プラズマ１０５をガイドする。第２中間電極３は、陰極１とは直接対向していないので、陰極１側からのイオンによる損傷の恐れがなく、平行な磁界を形成する必要はない。
【００３８】
以下、図１のアーク放電イオンプレーティング装置を用いて、プラズマを発生させ、基板上に成膜を行うことにより薄膜素子を製造する際の各部の動作について説明する。
【００３９】
基板ホルダー１３には基板１４を取り付け、蒸発源１２には、所定の固体原料を配置する。プラズマガン１０の内部および真空容器１１内を所定の圧力まで排気する。プラズマガン１０に放電ガスを供給する。ここでは、最終的な放電ガスとして、電離電圧の高いHeガスを用いるが、グロー放電を安定して生じさせるために、グロー放電開始時には、電離電圧の低いArガスまたはArガスとHeガスの混合ガスを供給し、グロー放電が安定したならば、Heガスの割合を増加させていき、Heガスのみでグロー放電を生じさせる。その後、アーク放電に移行させる。
【００４０】
プラズマガン１０のアーク放電は、一旦真空容器１１内に引き出され、放電電子が空間電荷によって反射されて陽極４に戻る。これにより非常に均質なプラズマ１０５を真空容器１１内に発生させることができる。
【００４１】
このとき、中心部にオリフィス２ａ、２ｂを備えた第１および第２中間電極２，３は、通過するガスのコンダクタンスを小さくすることにより、陰極領域と陽極領域との間に圧力差（圧力勾配）を形成するとともに、陰極と陽極との電位勾配を緩やかに形成する。これにより、陰極１領域の圧力を高い圧力、陽極４領域を低圧力に保ち、陰極１領域でのイオンの平均自由行程を短くする。よって、陽極領域からのイオン逆流衝突による陰極１の損傷を避けることができる。また、陰極１領域に、真空容器１１側から化学的活性気体が流入するのを防止ででき、陰極の化学的損傷が避けられる。
【００４２】
また、第１および第２中間電極１内の電磁石５０、６０は、オリフィス２ａ，３ａ内に陰極１から陽極４に向かう磁界を形成することにより、プラズマ１０５をオリフィス２ａ，３ａ内で収束させ、十分な量の電子を通過させ、プラズマ１０５を維持する。
【００４３】
さらに、第１中間電極１内の電磁石５０は、第１中間電極２の陰極１側の側面に平行な磁界５７，５８を広範囲に形成し、陰極１の熱電子が形成したイオンが第１中間電極１に衝突して損傷するのを防止する。
【００４４】
プラズマ１０５が生成された状態で、反応ガス導入管１５から酸素ガスを供給することにより、プラズマ１０５は、Heと酸素の混合プラズマとなる。Arよりも電離電圧の高いHeを放電ガスとして用いるため、Arを用いた場合よりも酸素ガスに大きなエネルギーを供給でき、高密度の酸素プラズマを得ることができる。よって、加熱した蒸発源１２から蒸発した蒸気がプラズマ１０５を通過することにより高効率で酸化され、基板１４上に到達し、酸化物膜を効率よく形成することができる。
【００４５】
例えば、蒸発源１２の材料として、Pb,Zr,Tiの各金属を用い、電子ビーム加熱により各々独立に蒸発させることにより、ペロブスカイト型酸化物であって、強誘電体および圧電体の特性を示すチタン酸ジルコン酸鉛(PZT: Pb(ZrxTi1-x)O3)薄膜の基板上に形成することができる。
【００４６】
成膜工程における第１および第２中間電極２、３のオリフィス２ａ、３ａ内の磁界の強さの最適値は、ガス種、ガス流量、放電電流の大きさ等によって異なる。したがって、成膜工程の途中でガス種をArからHeに変更する際や、ガス流量を変更した場合や、ガス流量ならびに放電電流の大きさ等を変更した場合には、オリフィス２ａ，３ａ内の磁界の大きさを最適値に調整する必要がある。本実施形態では、第２中間電極３のみならず第１中間電極２にも磁界発生手段として電磁石５０，６０を用いているため、これらに供給する電流値をそれぞれ調整することによりオリフィス２ａ，３ａ内の磁界の大きさを容易に、かつ、瞬時に変更することができる。
【００４７】
したがって、従来の永久磁石を用いた場合と異なり、磁界の大きさを変更する際にプラズマガン容器１０３の真空状態を大気圧に開放する必要がない。これにより第１中間電極の磁界強度の最適化のための調整に必要な時間を従来よりも大幅に短縮できる。プラズマ発生中に、ガス種やガス流量等を変更した場合にも、プラズマ１０５を発生させた状態を維持しながら磁界の大きさを調整することができる。
【００４８】
なお、上記実施形態では、放電ガスとしてHeガスを用いる場合について述べたが、Ar、Ne、Xe、Kr等のガスを使用することも可能である。
【００４９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。
【００５０】
第１の実施形態では、第１中間電極２に内蔵される電磁石５０を構成するコイル５１〜５４として空芯コイルを用いたが、第２の実施形態では、図７のように各コイル５１〜５４の巻き線の内側にコア７１を配置する。
【００５１】
コア７１として、所望の透磁率のものを用いることにより、磁力線５５，５７の分布を変化させることができ、電磁石５０の磁界強度や分布を制御することができる。これにより、第１中間電極２の陰極１側の側面の磁界５７，５８の分布や、オリフィス２ａ内の磁界強度を制御することが可能である。
【００５２】
他の構成および作用は、第１の実施形態と同様である。
【００５３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。
【００５４】
第３の実施形態では、図８のように各コイル５１〜５４とオリフィス２ａとの間に、リング状のヨーク８０を配置する。ヨーク８０として、空気よりも透磁率の高いもの、例えば強磁性体材料ヨークを用いることにより、磁力線５６がヨーク８０内に高密度に通過する。よって、ヨーク８０の大きさや形状を調整することにより、オリフィス２ａ内および周辺の磁力線５６の分布を制御できる。これにより、オリフィス２ａ内に所望の分布の磁界を発生させることができる。
【００５５】
他の構成および作用は、第１の実施形態と同様である。
【００５６】
また、第２および第３の実施形態を組み合わせてコア７１およびヨーク８０を備える第１中間電極２の構成にすることも可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１…陰極、２…第1中間電極、３…第２中間電極、４…陽極、５…空芯コイル、１１…真空容器、１２…蒸発源、１３…基板ホルダー、１４…基板、１５…反応ガス導入管、１６…直流電源、２０，２１，２２…ホーロー抵抗、１０１…プラズマ引き出しの中心軸、１０２…放電ガス導入口、１０３…プラズマガン容器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク放電を用いる圧力勾配型プラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流放電によって高密度のプラズマを発生しつつも、陰極近傍を不活性ガスの高い圧力で保護し、プラズマ中のイオン衝突による陰極損傷を防止した圧力勾配型のプラズマガンをアシスト源に利用した成膜装置が、特許文献１、２に記載されている。
【０００３】
従来、ホローカソード方式等のアーク放電を利用したプラズマ源は、熱陰極の損傷が激しく短寿命であるという問題があった。特許文献１および２に記載の圧力勾配型プラズマガンでは、中心部に小さな貫通孔（オリフィス）を備えた第１および第２中間電極を陰極と陽極との間に配置し、通過するガスのコンダクタンスを小さくすることにより、陰極領域と陽極領域との間に圧力差（圧力勾配）を形成するとともに、陰極と陽極との電位勾配を緩やかに形成することにより、この問題を解決している。
【０００４】
すなわち、圧力勾配型プラズマガンは、上記中間電極により、陰極領域の圧力を１０Ｐａ前後、陽極領域の圧力を０．１Ｐａ前後に圧力勾配をつけて保つことができる。このため、陰極領域でのイオンの平均自由行程を極めて短くでき、陽極領域からのイオン逆流衝突による陰極の損傷を避けることができる。また、陽極領域に化学的活性化気体（Ｏ２、Ｎ２等）を導入して混合プラズマを形成する場合にも、陰極領域に満たす不活性気体の圧力が陽極領域より１０３倍程度高いため、化学的活性気体が陰極領域に流入するのを防止ででき、陰極の化学的損傷が避けられる。
【０００５】
第１および第２中間電極を配置した構造で放電を維持するためには、十分な量の電子が小さなオリフィスを通過する必要がある。そのため、陰極側に位置する第１中間電極内には、リング状の永久磁石が配置され、陽極側に位置する第２中間電極内には円筒コイル状の電磁石が配置され、オリフィス内に陰極から陽極に向かう磁界を形成している。電子は、この磁界に沿って進むことによりオリフィス内で収束し、十分な量の電子が中間電極を通過できる。
【０００６】
このような圧力勾配型プラズマガンを利用することにより、多くの金属や誘電体を蒸発させ、または蒸発させた原料を活性化させることができ、すぐれた薄膜が得られることが特許文献２等により報告されている。ペロブスカイト型酸化物であるPZT(Pb(ZrxTi1-x)O3)等に代表される強誘電体や圧電体を、比較的低い成膜温度で結晶性の良い薄膜に成膜することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３０５３３６号公報
【特許文献２】特許第４１３８１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の圧力勾配型プラズマガンにおいて、陰極に最も近い第１中間電極内にリング状の永久磁石を配置し、陽極側の第２中間電極内には電磁石を用いる理由は、第１中間電極の損傷を防ぐためである。第１中間電極の陰極側の空間には、１０Ｐａ程度の高い圧力で熱電子が大量に存在するため、熱電子により発生したイオンにより第１中間電極の陰極側の面がスパッタリングされ損傷する。このとき、第１中間電極の陰極側の側面に平行な磁界が存在すると、磁界に沿ってイオンが移動するため、第１中間電極の側面の損傷を低減することができる。永久磁石を用いることにより、第１中間電極の陰極側の側面の広い範囲に、側面に平行な磁界を形成できる。このような理由により第１中間電極には、磁界発生手段として永久磁石が用いられている。
【０００９】
第１中間電極のオリフィス（貫通孔）内の磁界の強さは、ガス種、ガス流量、放電電流の大きさ等によって最適値が異なる。従来、第２中間電極内には電磁石（コイル）が用いられているので、コイルに流す電流の大きさを変更することにより容易に磁界の強さを変更できる。しかしながら、第１中間電極の場合は、永久磁石を交換しなければ磁界の強さを変更することができない。
【００１０】
第１中間電極の永久磁石の交換方法は、具体的には、成膜装置およびプラズマガンを停止させて内部を大気圧にし、プラズマガンから第１中間電極を取り出し、永久磁石を交換し、再びプラズマガンに第１中間電極を取り付け、成膜装置およびプラズマガン内を真空にしてプラズマを発生させ、プラズマの様子を見て最適な磁界の強さになったかどうかを判断するという手順になる。この手順を繰り返し、最適なプラズマの状態が得られるまで、磁界強度の異なる永久磁石に順次交換していく必要がある。このため、磁界強度の調整に非常に時間がかかるという問題がある。また、予め磁界強度の異なる複数の永久磁石を用意しておかなければならない。さらに、成膜工程の途中でガス種やガス流量を変更した場合であっても、工程の途中では磁界強度を変更できない。
【００１１】
本発明の目的は、第１中間電極の損傷を防止でき、磁界強度を容易に変更できる圧力勾配型プラズマ発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、以下のようなプラズマ発生装置が提供される。すなわち、順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、第１中間電極および第２中間電極はいずれも、陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備える。第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、電磁石は、オリフィスを取り囲むように周方向に沿って配置した複数のコイルを含む。
【００１３】
これら複数のコイルは、扁平な形状にコイル線を巻回したものを用いることができる。また、複数のコイルはそれぞれ、オリフィスを取り囲む所定の円周を分割した円弧の周囲に、周方向に沿ってコイル線を巻回した形状のものを用いることができる。
【００１４】
また、本発明の別の態様によれば、以下のようなプラズマ発生装置が提供される。すなわち、順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、第１中間電極および第２中間電極はいずれも、陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備える。第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、電磁石は、オリフィスを取り囲む円周を分割した１以上の円弧の周囲に、それぞれ周方向に沿ってコイルを巻回した形状の１以上のコイルを含む。
【００１５】
コイルの形成する磁界は、コイルの外周側領域を通ってコイルの内部を戻るループを描く磁力線と、コイルのオリフィス側の領域を通ってコイルの内部を戻るループを描く磁力線とを形成することが望ましい。また、電磁石は、第１中間電極のオリフィス内に陰極から陽極に向かう磁界を形成するとともに、第１中間電極の陰極に対向する側面に、側面の表面に平行な磁界であって、外周領域ではオリフィスから外周に向かい、内側領域では外周からオリフィスに向かう磁界を形成することが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、第１中間電極内に複数のコイルを周方向に沿って配置したことにより、永久磁石を配置した場合と同様の磁力線を電磁石で形成することができ、電流強度の調整により磁界強度を容易に調整できる。また、第１中間電極の陰極側の側面に広範囲に表面に平行な磁界を形成できるため、第１中間電極の陰極側側面の損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第1実施形態のアーク放電イオンプレーティング装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図１の装置のプラズマガン１０の構成を示すブロック図。
【図３】図２の装置のプラズマガンの第１中間電極２内のコイルを（ａ）軸１０１を含む断面方向から見た配置を示すブロック図、（ｂ）陰極から見た配置を示すブロック図。
【図４】図２の第１中間電極２内のコイルの配置と磁力線の形状を示す説明図。
【図５】比較例１の第１中間電極１２０内の永久磁石の形状と磁力線の形状を示す説明図。
【図６】比較例２の第１中間電極２２０内のソレノイドコイルと磁力線の形状を示す説明図。
【図７】第２の実施形態の第１中間電極のコイルとコアを陰極から見た配置を示す説明図。
【図８】第３の実施形態の第１中間電極のコイルとヨークを陰極から見た配置を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態のプラズマガンを用いた成膜装置として、アーク放電イオンプレーティング装置を図１および図２を用いて説明する。図１は、このアーク放電イオンプレーティング装置の全体図であり、図２は、プラズマガン１０の拡大図である。プラズマガン１０は、電子流を反射させる反射型でかつ圧力勾配型である。
【００２０】
図１のように、真空容器１１内には、成膜すべき基板１４を支持する基板ホルダー１３と、蒸発源１２と、蒸発源１２に電子ビームを照射するための電子ビームガン（不図示）が配置されている。基板ホルダー１３には、基板１４を加熱するためのヒーターが内蔵されている。また、基板１４と蒸発源１２との間の空間に反応ガスを供給するための反応ガス導入管１５が配置されている。
【００２１】
真空容器１１の側面にはプラズマガン１０が備えられている。プラズマガン１０は、図１および図２のように、筒状のプラズマガン容器１０３に、陰極１、第１中間電極２、第２中間電極３、陽極４をプラズマ引き出し軸１０１に沿って順に配置した構造である。陰極１、第１中間電極２、第２中間電極３、陽極４は不図示のガイシによって相互に絶縁されている。陽極４の外周側には、プラズマをガイドするための空芯コイル５が配置されている。
【００２２】
陰極１は、アーク放電に適した公知の陰極構造である。陰極１には放電ガスの導入口１０２が備えられている。
【００２３】
陰極１と陽極４には、図１、図２に示したように、直流電源１６が接続されている。第１および第２中間電極２、３は適切な抵抗値のホーロー抵抗２０、２１を介して直流電源１６の正極と接続されている。ホーロー抵抗２０、２１の値は、第１および第２中間電極２、３が、陰極１側から陽極４側に近いほど高い電位になるように設定する。これにより、真空容器１１にプラズマを引き出すことができる。
【００２４】
第１および第２中間電極２、３は、それぞれ中央に所定の径の貫通孔（オリフィス）２ａ，３ａを有しており、このオリフィス２ａ，３ａが、プラズマガン容器１０３の圧力を真空容器１１よりも陽圧に維持し、圧力勾配を形成する。第１および第２中間電極２，３には、それぞれ電磁石５０，６０がそれぞれ内蔵されている。これらは、プラズマを収束させて貫通孔２ａ，３ａを通過させるための磁場を発生する。従来技術では、第１中間電極２には永久磁石が内蔵されているが、本実施形態は電磁石５０を用いることにより、電流強度の調節で磁界強度を可変にする。
【００２５】
具体的には、電磁石５０は、図３（ａ），（ｂ）および図４に示すように、第１中間電極２の本体２ｂ内の空間に、２以上のコイルをオリフィス２ａを取り囲むように周方向に沿って配置した構造である。２以上のコイルが扁平な形状である場合には、少ない数のコイルでオリフィスを取り囲むことができるため好ましい。特に、円周を複数に分割した円弧の周囲に、円弧の外側および内側に沿うように、コイル線を周方向に巻回した鞍型構造のコイルを用いた場合には、電磁石５０の外周側領域および内側（オリフィス２ａ側領域）にそれぞれ周方向に広い範囲で一様な磁界を形成できるため好ましい。
【００２６】
図３および図４の例では、４つの鞍型コイル５１〜５４をオリフィス２ａを取り囲むように配置している。鞍型コイル５１〜５４はいずれも、第１中間電極２の周方向を４分割した約９０度の円弧の周囲に、円弧の外側および内側に沿うように、コイル線を周方向に巻回した鞍型構造の空芯コイルである。
【００２７】
なお、電磁石５０を構成するコイルは、４つに限定されるものではなく、任意の数にすることができる。また、一つのコイルで電磁石５０を構成することも可能である。例えば、円周のごく一部を切り欠いた、３６０°よりもわずかに小さい円弧の周囲に、円弧の外側および内側に沿うようにコイル線を周方向に巻回した鞍型構造のコイルを用いることができる。
【００２８】
以下、図３（ａ），（ｂ）および図４の構造のコイル５１〜５４を用いる場合を例に説明する。図３（ｂ）に示すように、４つの鞍型コイル５１〜５４に、陰極１側から見て、外周側のコイル線に反時計まわりに電流が流れるように電流を供給することにより、それぞれのコイル５１〜５４の周囲には、図３（ａ），（ｂ）、図４のように磁界が発生する。これらの磁界は、各コイル５１〜５４の外周側の空間を陰極１から陽極４の方向に進み、各コイルの空芯部を陽極４から陰極１方向に戻る外側ループの磁力線５５と、各コイル５１〜５４のオリフィス２ａ側の空間を陰極１から陽極４の方向に進み、各コイルの空芯部を陽極４から陰極１方向に戻る内側ループの磁力線５６を形成する。
【００２９】
これにより、オリフィス２ａには、陰極１から陽極４の方向に軸１０１に平行な磁界が形成され、プラズマ１０５を収束させてオリフィス２ａを通過させることができる。
【００３０】
また、第１中間電極２の陰極１側の側面には、外側の磁力線５５と内側の磁力線５６のそれぞれにより、第１中間電極２の本体２ｂの表面に平行な磁界５７，５８が形成される。すなわち、第１中間電極２の本体２ｂの陰極１側の側面には、外周側領域に中心軸１０１から外向きの磁界５７が形成され、オリフィス２ａの周囲領域には中心軸１０１向きの磁界５８が形成され、これらの磁界５７，５８は、第１中間電極２の本体２ｂの表面に平行である。
【００３１】
このように、本実施形態では、内側ループおよび外側ループの磁力線５５，５６が形成されるため、第１中間電極２の陰極１側の表面に平行な磁界５７，５８を広い領域にわたって形成することができる。よって、陰極１の発生する熱電子により生じるイオンを、磁界５７，５８により第１中間電極２の表面に平行に移動させることができ、イオンが第１中間電極２の表面に衝突してスパッタリングにより損傷する現象を防止することができる。
【００３２】
鞍型コイル５１〜５４が形成する上述の磁力線５５、５６の形状は、比較例１として図５に示す従来のリング状の永久磁石１５０を内蔵した中間電極１２０の磁力線１５５，１５６と同様の形状である。よって、第１中間電極２ａの表面に平行に形成される磁界５７，５８の形状も、永久磁石１５０が形成する磁界１５７，１５８と同様の形状である。
【００３３】
これらのことから本実施形態の第１中間電極２は、扁平なコイルを用いたことにより、電磁石５０を用いた構造でありながらリング状の永久磁石１５０と同様に、陰極１側の表面の損傷を防止できる。
【００３４】
また、本実施形態の第１中間電極２に内蔵する磁界発生手段は、電磁石であるため、供給する電流量を調整することにより、容易に磁界強度を調整できる。よって、ガス種、ガス流量、放電電流の大きさ等に応じて、最適な大きさの磁界をオリフィス２ａ内に形成できる。また、磁界の大きさを容易に変更でき、プラズマ１０５を発生させた状態を維持しながら、オリフィス２ａ内の磁界を調整することも可能である。よって、永久磁石と異なり、短時間で容易に、真空を破ることなく、また、プラズマ１０５を生じさせた状態であっても、オリフィス２ａ内の磁界を調整でき、製造効率を向上させることができる。
【００３５】
図６に比較例２として、円筒形状にコイルを巻回したソレノイドコイル２５０を中心軸がオリフィス２ａに一致するように第１中間電極内２２０に配置した場合の磁界を示す。一つのソレノイドコイル２５０を第１中間電極２２０内に配置した場合、磁力線２５０としては、ソレノイドコイル２５０の内側を陰極１から陽極４の方向に進み、外側を陽極４から陰極１の方向に戻る１種類のループが形成される。よって、第１中間電極２２０のオリフィス２ａ内に陰極１から陽極４方向へ向かう磁界を形成することができる。また、第１中間電極２２０の陰極１側の側面には、表面に平行な磁界２５８が形成されるが、磁力線２５０のループが本実施形態と異なり１種類のみであるため、表面に平行な磁界２５８が形成される面積が小さい。このため、平行な磁界２５８が形成されている第１中間電極２２０の表面領域は、陰極１からのイオンによるスパッタリングによる損傷を防ぐことができるが、平行な磁界２５８が形成されていない表面領域は損傷を防止できない。
【００３６】
このように、本実施形態では、扁平なコイルを周方向に沿って配置した電磁石５０を内蔵した第１中間電極２を用いることにより、永久磁石を内蔵した第１中間電極と同様の磁界を形成して、プラズマをガイドし、かつ、第１中間電極の陰極側表面を保護することができる。しかも、電磁石５０は、永久磁石とは異なり、供給する電流の大きさを調整することにより、容易に形成される磁界強度を変更できる。
【００３７】
一方、第２中間電極３に内蔵されている電磁石６０としては、従来と同様に、中心軸がオリフィス３ａの中心軸１０１と一致したソレノイドコイルを用いる。これにより、オリフィス３ａ内に陰極１から陽極４に向かう磁界を形成し、プラズマ１０５をガイドする。第２中間電極３は、陰極１とは直接対向していないので、陰極１側からのイオンによる損傷の恐れがなく、平行な磁界を形成する必要はない。
【００３８】
以下、図１のアーク放電イオンプレーティング装置を用いて、プラズマを発生させ、基板上に成膜を行うことにより薄膜素子を製造する際の各部の動作について説明する。
【００３９】
基板ホルダー１３には基板１４を取り付け、蒸発源１２には、所定の固体原料を配置する。プラズマガン１０の内部および真空容器１１内を所定の圧力まで排気する。プラズマガン１０に放電ガスを供給する。ここでは、最終的な放電ガスとして、電離電圧の高いHeガスを用いるが、グロー放電を安定して生じさせるために、グロー放電開始時には、電離電圧の低いArガスまたはArガスとHeガスの混合ガスを供給し、グロー放電が安定したならば、Heガスの割合を増加させていき、Heガスのみでグロー放電を生じさせる。その後、アーク放電に移行させる。
【００４０】
プラズマガン１０のアーク放電は、一旦真空容器１１内に引き出され、放電電子が空間電荷によって反射されて陽極４に戻る。これにより非常に均質なプラズマ１０５を真空容器１１内に発生させることができる。
【００４１】
このとき、中心部にオリフィス２ａ、２ｂを備えた第１および第２中間電極２，３は、通過するガスのコンダクタンスを小さくすることにより、陰極領域と陽極領域との間に圧力差（圧力勾配）を形成するとともに、陰極と陽極との電位勾配を緩やかに形成する。これにより、陰極１領域の圧力を高い圧力、陽極４領域を低圧力に保ち、陰極１領域でのイオンの平均自由行程を短くする。よって、陽極領域からのイオン逆流衝突による陰極１の損傷を避けることができる。また、陰極１領域に、真空容器１１側から化学的活性気体が流入するのを防止ででき、陰極の化学的損傷が避けられる。
【００４２】
また、第１および第２中間電極１内の電磁石５０、６０は、オリフィス２ａ，３ａ内に陰極１から陽極４に向かう磁界を形成することにより、プラズマ１０５をオリフィス２ａ，３ａ内で収束させ、十分な量の電子を通過させ、プラズマ１０５を維持する。
【００４３】
さらに、第１中間電極１内の電磁石５０は、第１中間電極２の陰極１側の側面に平行な磁界５７，５８を広範囲に形成し、陰極１の熱電子が形成したイオンが第１中間電極１に衝突して損傷するのを防止する。
【００４４】
プラズマ１０５が生成された状態で、反応ガス導入管１５から酸素ガスを供給することにより、プラズマ１０５は、Heと酸素の混合プラズマとなる。Arよりも電離電圧の高いHeを放電ガスとして用いるため、Arを用いた場合よりも酸素ガスに大きなエネルギーを供給でき、高密度の酸素プラズマを得ることができる。よって、加熱した蒸発源１２から蒸発した蒸気がプラズマ１０５を通過することにより高効率で酸化され、基板１４上に到達し、酸化物膜を効率よく形成することができる。
【００４５】
例えば、蒸発源１２の材料として、Pb,Zr,Tiの各金属を用い、電子ビーム加熱により各々独立に蒸発させることにより、ペロブスカイト型酸化物であって、強誘電体および圧電体の特性を示すチタン酸ジルコン酸鉛(PZT: Pb(ZrxTi1-x)O3)薄膜の基板上に形成することができる。
【００４６】
成膜工程における第１および第２中間電極２、３のオリフィス２ａ、３ａ内の磁界の強さの最適値は、ガス種、ガス流量、放電電流の大きさ等によって異なる。したがって、成膜工程の途中でガス種をArからHeに変更する際や、ガス流量を変更した場合や、ガス流量ならびに放電電流の大きさ等を変更した場合には、オリフィス２ａ，３ａ内の磁界の大きさを最適値に調整する必要がある。本実施形態では、第２中間電極３のみならず第１中間電極２にも磁界発生手段として電磁石５０，６０を用いているため、これらに供給する電流値をそれぞれ調整することによりオリフィス２ａ，３ａ内の磁界の大きさを容易に、かつ、瞬時に変更することができる。
【００４７】
したがって、従来の永久磁石を用いた場合と異なり、磁界の大きさを変更する際にプラズマガン容器１０３の真空状態を大気圧に開放する必要がない。これにより第１中間電極の磁界強度の最適化のための調整に必要な時間を従来よりも大幅に短縮できる。プラズマ発生中に、ガス種やガス流量等を変更した場合にも、プラズマ１０５を発生させた状態を維持しながら磁界の大きさを調整することができる。
【００４８】
なお、上記実施形態では、放電ガスとしてHeガスを用いる場合について述べたが、Ar、Ne、Xe、Kr等のガスを使用することも可能である。
【００４９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。
【００５０】
第１の実施形態では、第１中間電極２に内蔵される電磁石５０を構成するコイル５１〜５４として空芯コイルを用いたが、第２の実施形態では、図７のように各コイル５１〜５４の巻き線の内側にコア７１を配置する。
【００５１】
コア７１として、所望の透磁率のものを用いることにより、磁力線５５，５７の分布を変化させることができ、電磁石５０の磁界強度や分布を制御することができる。これにより、第１中間電極２の陰極１側の側面の磁界５７，５８の分布や、オリフィス２ａ内の磁界強度を制御することが可能である。
【００５２】
他の構成および作用は、第１の実施形態と同様である。
【００５３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。
【００５４】
第３の実施形態では、図８のように各コイル５１〜５４とオリフィス２ａとの間に、リング状のヨーク８０を配置する。ヨーク８０として、空気よりも透磁率の高いもの、例えば強磁性体材料ヨークを用いることにより、磁力線５６がヨーク８０内に高密度に通過する。よって、ヨーク８０の大きさや形状を調整することにより、オリフィス２ａ内および周辺の磁力線５６の分布を制御できる。これにより、オリフィス２ａ内に所望の分布の磁界を発生させることができる。
【００５５】
他の構成および作用は、第１の実施形態と同様である。
【００５６】
また、第２および第３の実施形態を組み合わせてコア７１およびヨーク８０を備える第１中間電極２の構成にすることも可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１…陰極、２…第1中間電極、３…第２中間電極、４…陽極、５…空芯コイル、１１…真空容器、１２…蒸発源、１３…基板ホルダー、１４…基板、１５…反応ガス導入管、１６…直流電源、２０，２１，２２…ホーロー抵抗、１０１…プラズマ引き出しの中心軸、１０２…放電ガス導入口、１０３…プラズマガン容器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、
前記第１中間電極および第２中間電極はいずれも、前記陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備え、
前記第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、該電磁石は、前記オリフィスを取り囲むように周方向に沿って配置した複数のコイルを含むことを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記複数のコイルは、扁平な形状にコイル線を巻回したものであることを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記複数のコイルはそれぞれ、前記オリフィスを取り囲む所定の円周を分割した円弧の周囲に、周方向に沿ってコイル線を巻回した形状であることを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項４】
順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、
前記第１中間電極および第２中間電極はいずれも、前記陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備え、
前記第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、該電磁石は、前記オリフィスを取り囲む円周を分割した１以上の円弧の周囲に、それぞれ周方向に沿ってコイルを巻回した形状の１以上のコイルを含むことを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記コイルの形成する磁界は、該コイルの外周側領域を通って該コイルの内部を戻るループを描く磁力線と、該コイルの前記オリフィス側の領域を通って該コイルの内部を戻るループを描く磁力線とを形成することを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、
前記第１中間電極内の前記電磁石は、前記第１中間電極のオリフィス内に前記陰極から陽極に向かう磁界を形成するとともに、前記第１中間電極の前記陰極に対向する側面に、該側面の表面に平行な磁界であって、外周領域では前記オリフィスから外周に向かい、内側領域では外周からオリフィスに向かう磁界を形成することを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記コイルの内部にコアを配置したことを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記コイルと前記オリフィスとの間の空間には、前記オリフィスを囲むリング状のヨークが配置されていることを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項９】
基板と成膜材料が配置される真空容器と、前記真空容器に接続された圧力勾配型プラズマ発生装置とを有する成膜装置であって、
前記圧力勾配型プラズマ発生装置として、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のものを備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項１０】
圧力勾配型アーク放電プラズマ発生装置を用いてプラズマを発生させ、該プラズマを用いて薄膜を形成する薄膜素子の製造方法であって、
前記プラズマ発生装置は、順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有し、
前記第１中間電極および第２中間電極はいずれも、前記陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備え、
前記第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、該電磁石は、前記オリフィスを取り囲むように周方向に沿って配置した複数のコイルを含み、
前記第１中間電極の複数のコイルに供給する電流の大きさを変更することにより、前記第１中間電極の前記オリフィス内の磁界の大きさを調整することを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の薄膜素子の製造方法であって、前記プラズマ発生装置の前記陰極と、前記第１および第２中間電極と、前記陽極に、所定の電位を印加してプラズマを形成し、プラズマを維持したまま、前記第１中間電極の複数のコイルに供給する電流の大きさを変更して前記オリフィス内の磁界の大きさを調整することを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項１】
順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、
前記第１中間電極および第２中間電極はいずれも、前記陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備え、
前記第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、該電磁石は、前記オリフィスを取り囲むように周方向に沿って配置した複数のコイルを含むことを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記複数のコイルは、扁平な形状にコイル線を巻回したものであることを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記複数のコイルはそれぞれ、前記オリフィスを取り囲む所定の円周を分割した円弧の周囲に、周方向に沿ってコイル線を巻回した形状であることを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項４】
順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有する圧力勾配型プラズマ発生装置であって、
前記第１中間電極および第２中間電極はいずれも、前記陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備え、
前記第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、該電磁石は、前記オリフィスを取り囲む円周を分割した１以上の円弧の周囲に、それぞれ周方向に沿ってコイルを巻回した形状の１以上のコイルを含むことを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記コイルの形成する磁界は、該コイルの外周側領域を通って該コイルの内部を戻るループを描く磁力線と、該コイルの前記オリフィス側の領域を通って該コイルの内部を戻るループを描く磁力線とを形成することを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、
前記第１中間電極内の前記電磁石は、前記第１中間電極のオリフィス内に前記陰極から陽極に向かう磁界を形成するとともに、前記第１中間電極の前記陰極に対向する側面に、該側面の表面に平行な磁界であって、外周領域では前記オリフィスから外周に向かい、内側領域では外周からオリフィスに向かう磁界を形成することを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記コイルの内部にコアを配置したことを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の圧力勾配型プラズマ発生装置であって、前記コイルと前記オリフィスとの間の空間には、前記オリフィスを囲むリング状のヨークが配置されていることを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置。
【請求項９】
基板と成膜材料が配置される真空容器と、前記真空容器に接続された圧力勾配型プラズマ発生装置とを有する成膜装置であって、
前記圧力勾配型プラズマ発生装置として、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のものを備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項１０】
圧力勾配型アーク放電プラズマ発生装置を用いてプラズマを発生させ、該プラズマを用いて薄膜を形成する薄膜素子の製造方法であって、
前記プラズマ発生装置は、順に配置された、陰極と、第１および第２中間電極と、陽極とを有し、
前記第１中間電極および第２中間電極はいずれも、前記陰極側から陽極側に貫通する所定の大きさのオリフィスを備え、
前記第１中間電極は、内部に電磁石が配置され、該電磁石は、前記オリフィスを取り囲むように周方向に沿って配置した複数のコイルを含み、
前記第１中間電極の複数のコイルに供給する電流の大きさを変更することにより、前記第１中間電極の前記オリフィス内の磁界の大きさを調整することを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の薄膜素子の製造方法であって、前記プラズマ発生装置の前記陰極と、前記第１および第２中間電極と、前記陽極に、所定の電位を印加してプラズマを形成し、プラズマを維持したまま、前記第１中間電極の複数のコイルに供給する電流の大きさを変更して前記オリフィス内の磁界の大きさを調整することを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９９０１７（Ｐ２０１２−１９９０１７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６１２５６（Ｐ２０１１−６１２５６）
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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