特許 7518690 プラズマガン、成膜装置、及び負イオン生成装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-09

(45)【発行日】2024-07-18

(54)【発明の名称】プラズマガン、成膜装置、及び負イオン生成装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/48 20060101AFI20240710BHJP

   C23C 14/32 20060101ALI20240710BHJP

【ＦＩ】

H05H1/48

C23C14/32 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020128098

(22)【出願日】2020-07-29

(65)【公開番号】P2022025333

(43)【公開日】2022-02-10

【審査請求日】2023-05-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162640

【弁理士】

【氏名又は名称】柳 康樹

(74)【代理人】

【識別番号】100182006

【弁理士】

【氏名又は名称】湯本 譲司

(72)【発明者】

【氏名】一色 雅仁

(72)【発明者】

【氏名】前原 誠

【審査官】植木 隆和

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５７－１０７５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１９３９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０４５０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０２５４０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ １／２４

Ｈ０５Ｈ １／４８

Ｃ２３Ｃ １４／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一端が開放された外筒と、
前記外筒の内部に設けられた主陰極である電極と、
前記外筒の前記一端側に取り付けられ、前記外筒の前記一端における断面の大きさよりも小さい開口を有する蓋体と、
を有する陰極管を備え、
前記蓋体の材料は、前記電極の材料と同一の材料を含んでいる、
プラズマガン。

【請求項2】

前記蓋体は、前記電極の材料と同一の材料によって構成されている、
請求項１に記載のプラズマガン。

【請求項3】

前記蓋体は、６ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）によって構成されている、
請求項１又は２に記載のプラズマガン。

【請求項4】

一端が開放された外筒、前記外筒の内部に設けられた主陰極である電極、及び、前記外筒の前記一端側に取り付けられ、前記外筒の前記一端における断面の大きさよりも小さい開口を有する蓋体、を含む陰極管を有するプラズマガンを備えた成膜装置であって、
前記蓋体の材料は、前記電極の材料と同一の材料を含んでいる、
成膜装置。

【請求項5】

対象物に負イオンを照射するための負イオン生成装置であって、
真空チャンバー内にプラズマを供給するプラズマ源を備え、
前記プラズマ源は、
一端が開放された外筒と、
前記外筒の内部に設けられた主陰極である電極と、
前記外筒の前記一端側に取り付けられ、前記外筒の前記一端における断面の大きさよりも小さい開口を有する蓋体とを有し、
前記蓋体の材料は、前記電極の材料と同一の材料を含んでいる、
負イオン生成装置。

【請求項6】

前記プラズマ源が間欠的にプラズマを生成するように前記プラズマ源を制御する制御部を備える、
請求項５に記載の負イオン生成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、プラズマガン、成膜装置、及び負イオン生成装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、成膜装置に組み付けられているプラズマガンが記載されている。プラズマガンは、第１中間電極及び第２中間電極を含む中間電極と、陰極管が固定されたカソードフランジとを備える。陰極管は、外側のＭｏ筒と、内側のＴａパイプとを含む。Ｍｏ筒及びＴａパイプは共にカソードフランジに固定されている。陰極管の内部にアルゴンガスが供給されると、加速された電子とアルゴンガスとの衝突によってプラズマビームが生成される。プラズマビームは、第１中間電極及び第２中間電極の中央に形成されたオリフィス通路を通過し、成膜室内に放射される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－３０５７２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、前述した陰極管のカバーの材料としては、タングステン（Ｗ）又はモリブデン（Ｍｏ）等、電極の材料とは異なる高融点材料が用いられる。前述したプラズマビームの発生時には、電極から放出される電子によってイオン化されたガスが高電圧によって加速され、陰極管の内部において陰極管のカバーに衝突する。このとき、陰極管のカバーの材料がスパッタリングされて電極に付着することがある。電極に電極とは異なるカバーの材料が付着すると、当該材料が昇華又は成膜されて異物として膜中に混入して製品の不具合を誘発する可能性がある。また、電極に異物が付着すると、当該異物の付着によって放電が不安定となる可能性があり、異物の管理のために点検整備作業を短い間隔で行わなければならない可能性もある。

【0005】

本開示は、電極への異物の付着を抑制しつつ放電を安定させることができるプラズマガン、成膜装置、及び負イオン生成装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一側面に係るプラズマガンは、一端が開放された外筒と、外筒の内部に設けられた電極と、外筒の一端側に取り付けられ、外筒の一端における断面の大きさよりも小さい開口を有する蓋体と、を有する陰極管を備え、蓋体の材料は、電極の材料と同一の材料を含んでいる。

【0007】

このプラズマガンでは、一端が開放された外筒の内部に電極が設けられ、外筒の当該一端には開口付きの蓋体が取り付けられる。蓋体の開口の径は外筒の開口の径よりも小さく、蓋体の材料は電極の材料と同一の材料を含んでいる。従って、陰極管の蓋体の材料が電極に付着しても、蓋体の材料が電極の材料を含むことによって電極に付着する異物の量を低減させることができる。従って、膜中への異物の混入、及び製品の不具合の発生を抑制することができる。また、電極の材料を含む蓋体の材料が電極に付着しても、放電を不安定になりにくくすることができる。更に、蓋体の材料が電極の材料を含むことにより、蓋体を電極として機能させることができる。よって、電極として機能する部分の表面積を増やすことができるので、放電パワーを高めることができる。従って、従来よりも大きな電流を流すことができる。

【0008】

蓋体は、電極の材料と同一の材料によって構成されていてもよい。この場合、蓋体の材料が電極材料によって構成されるため、電極への異物の付着を回避しつつ、放電を安定させることができる。更に、放電パワーをより高めてより大きな電流を流すことができる。

【0009】

蓋体は、６ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）によって構成されていてもよい。この場合、蓋体がＬａＢ_６によって構成されるので、一層多くの電子を放出させることができる。従って、蓋体を高熱電子発生源として用いることができるので、更に大きな電流を流すことができる。

【0010】

本開示の一側面に係る成膜装置は、一端が開放された外筒、外筒の内部に設けられた電極、及び、外筒の一端側に取り付けられ、外筒の一端における断面の大きさよりも小さい開口を有する蓋体、を含む陰極管を有するプラズマガンを備えた成膜装置であって、蓋体の材料は、電極の材料と同一の材料を含んでいる。

【0011】

この成膜装置では、プラズマガンは、一端が開放された外筒の内部に電極が設けられ、外筒の当該一端には開口付きの蓋体が取り付けられ、蓋体の材料は電極の材料と同一の材料を含んでいる。従って、前述したプラズマガンと同様、陰極管の蓋体の材料が電極に付着しても、蓋体の材料が電極の材料を含むことによって電極に付着する異物の量を低減させることができる。その結果、前述のプラズマガンと同様の効果を得られる。

【0012】

本開示の一側面に係る負イオン生成装置は、対象物に負イオンを照射するための負イオン生成装置であって、真空チャンバー内にプラズマを供給するプラズマ源を備え、プラズマ源は、一端が開放された外筒と、外筒の内部に設けられた電極と、外筒の一端側に取り付けられ、外筒の一端における断面の大きさよりも小さい開口を有する蓋体とを有し、蓋体の材料は、電極の材料と同一の材料を含んでいる。

【0013】

この負イオン生成装置では、プラズマ源は、一端が開放された外筒の内部に電極が設けられ、外筒の当該一端には開口付きの蓋体が取り付けられ、蓋体の材料は電極の材料と同一の材料を含んでいる。従って、前述したプラズマガンと同様、蓋体の材料が電極に付着しても、蓋体の材料が電極の材料を含むことによって電極に付着する異物の量を低減させることができる。その結果、前述のプラズマガンと同様の効果を得られる。

【0014】

前述した負イオン生成装置は、プラズマ源が間欠的にプラズマを生成するように前記プラズマ源を制御する制御部を備えてもよい。この場合、プラズマ源に間欠的にプラズマを生成させることができる。

【発明の効果】

【0015】

本開示によれば、電極への異物の付着を抑制しつつ放電を安定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】一実施形態に係る成膜装置の概略構成図である。

【図2】プラズマガンの構成を説明する断面図である。

【図3】陰極管の構成を説明する断面図である。

【図4】温度と電流密度との関係の例を示すグラフである。

【図5】融点、電流密度及び仕事関数を材質ごとに示す図表である。

【図6】一実施形態に係る負イオン生成装置を備えた成膜装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下では、図面を参照しながら本開示に係るプラズマガン、成膜装置、及び負イオン生成装置の実施形態について説明する。図面の説明において同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、図面は、理解の容易のため、一部を簡略化又は誇張している場合があり、寸法比率等は図面に記載のものに限定されない。

【0018】

図１は、本実施形態に係る成膜装置を示す側断面図である。本実施形態に係る成膜装置１は、イオンプレーティング法に用いられるイオンプレーティング装置である。まず、本実施形態に係るプラズマガンが適用されうる例示的な成膜装置１について説明する。以下では、便宜上、図１に示されるようにＸＹＺ座標系を用いて説明する。Ｘ軸方向は、成膜装置１が成膜する対象となる被成膜物が後述するハース機構２に対向する方向である。Ｙ軸方向は、被成膜物が搬送される搬送方向である。Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方に直交する方向である。

【0019】

成膜装置１は、ハース機構２と、搬送機構３と、輪ハース６と、プラズマガン７と、圧力調整装置８と、チャンバー１０とを備える。チャンバー１０は、成膜材料Ｍａの膜が形成される被成膜物１１を搬送する搬送部１０ａと、成膜材料Ｍａを拡散する成膜部１０ｂと、プラズマガン７から照射されるプラズマビームＰをチャンバー１０に受け入れるプラズマ口１０ｃとを有する。搬送部１０ａは、所定の搬送方向（図中の矢印Ａ方向、Ｙ軸正方向）に沿って設定されている。搬送部１０ａは、導電性の材料から構成されている。搬送部１０ａは、接地電位に接続されている。

【0020】

搬送機構３は、成膜材料Ｍａと対向した状態で被成膜物１１を保持する被成膜物保持部１６を搬送方向Ａに搬送する。搬送機構３は、搬送部１０ａの内部に設置された複数の搬送ローラ１５によって構成されている。搬送ローラ１５は、例えば、搬送方向Ａに沿って等間隔に配置され、被成膜物保持部１６を支持しつつ搬送方向Ａに搬送する。なお、被成膜物１１は、例えば、ガラス基板又はプラスチック基板等の板状部材が用いられる。

【0021】

プラズマガン７は、チャンバー１０の内部においてプラズマビームＰを生成する。プラズマガン７は、圧力勾配型である。プラズマガン７は成膜部１０ｂの側壁に設けられたプラズマ口１０ｃを介して成膜部１０ｂに接続されている。プラズマガン７において生成されたプラズマビームＰは、プラズマ口１０ｃから成膜部１０ｂの内部へ出射される。プラズマビームＰは、プラズマ口１０ｃに設けられたステアリングコイル１２によって出射方向が制御される。なお、プラズマガン７については後に詳述する。

【0022】

圧力調整装置８は、チャンバー１０に接続され、チャンバー１０の内部の圧力を調整する。圧力調整装置８は、例えば、ターボ分子ポンプ又はクライオポンプ等の減圧部と、チャンバー１０の内部の圧力を測定する圧力測定部とを有する。

【0023】

ハース機構２は、成膜材料Ｍａを保持するための機構である。ハース機構２は、チャンバー１０の成膜部１０ｂの内部に設けられ、搬送機構３から見てＸ軸負方向側に配置されている。ハース機構２は、プラズマガン７から出射されたプラズマビームＰを成膜材料Ｍａに導く主陽極、又はプラズマガン７から出射されたプラズマビームＰが導かれる主陽極である主ハース２１を有する。主ハース２１には、成膜材料Ｍａが充填される。主ハース２１は、チャンバー１０が有する接地電位に対して正電位に保たれているため、負電位であるプラズマビームＰを吸引する。なお、主ハース２１は、図示しない主電源に接続されている。

【0024】

輪ハース６は、プラズマビームＰを誘導するための電磁石を有する補助陽極である。輪ハース６は、成膜材料Ｍａを保持する主ハース２１の周囲に配置されている。輪ハース６は、コイル６ａ及び永久磁石６ｂを有する。輪ハース６は、コイル６ａに流れる電流の大きさに応じて、成膜材料Ｍａに入射するプラズマビームＰの向き、又は、主ハース２１に入射するプラズマビームＰの向きを制御する。

【0025】

成膜材料Ｍａとしては、ＩＴＯ若しくはＺｎＯ等の導電性物質、又は、ＳｉＯＮ等の絶縁性物質が例示される。成膜材料Ｍａが絶縁性物質によって構成される場合、主ハース２１にプラズマビームＰが照射されると、プラズマビームＰからの電流によって主ハース２１が加熱される。主ハース２１を介して加熱された成膜材料Ｍａの先端部分は蒸発（気化）し、プラズマビームＰによってイオン化された成膜材料粒子Ｍｂが成膜部１０ｂの内部に拡散する。

【0026】

成膜材料Ｍａが導電性物質によって構成される場合、主ハース２１にプラズマビームＰが照射されると、プラズマビームＰが成膜材料Ｍａに直接入射する。その結果、成膜材料Ｍａの先端部分が加熱されて蒸発（気化）し、プラズマビームＰによってイオン化された成膜材料粒子Ｍｂは、成膜部１０ｂのＸ軸正方向に移動し、搬送部１０ａの内部において被成膜物１１の表面に付着する。

【0027】

なお、成膜材料Ｍａは、円柱形状に成形された固体物であり、一度に複数の成膜材料Ｍａがハース機構２に充填される。そして、成膜材料Ｍａの先端部分が主ハース２１の上端に対して所定の位置関係を保つように、成膜材料Ｍａの消費に応じて成膜材料Ｍａがハース機構２のＸ軸負方向側から順次押し出される。

【0028】

次に、図２を参照しながらプラズマガン７について説明する。図２は、プラズマガン７の例示的な断面図である。プラズマガン７は、第１中間電極７１及び第２中間電極７２を含む中間電極７０と、陰極管８０が固定されたカソードフランジ９０とを備える。中間電極７０とカソードフランジ９０との間には、陰極管８０を収容するガラス管（絶縁管）９２が配置されている。

【0029】

中間電極７０に設けられたオリフィス通路Ｒによって、ガラス管９２の雰囲気圧力はチャンバー１０より高く保たれている。ガラス管９２の圧力とチャンバー１０の圧力との圧力差によって酸素等の反応ガスがガラス管９２の内部に混入することを抑制する。その結果、放電のときの酸素の影響を排除して長時間の連続使用を可能としている。なお、中間電極７０は、図示しない主電源に接続されている。

【0030】

第２中間電極７２は環状を呈する。第２中間電極７２は、チャンバー１０に対してシールカラー７３を介して固定されている。第２中間電極７２のチャンバー１０との反対側（カソードフランジ９０側）には、シールカラー７３を介して環状の第１中間電極７１が同心状に重ねられて固定されている。第２中間電極７２には、空芯コイル７４が内蔵されている。第１中間電極７１には、磁極軸が陰極管８０の中心線に平行となるように永久磁石７５が内蔵されている。第１中間電極７１のカソードフランジ９０側には、ガラス管９２が装着される。

【0031】

カソードフランジ９０の中央には、陰極管８０が固定されている。陰極管８０について、図３を参照しながら説明する。図３は、陰極管８０の断面図である。陰極管８０は、中央の管状の補助電極８１と、カソードフランジ９０に固定された状態で補助電極８１を支持するパイプマウント８２と、補助電極８１を囲むと共にパイプマウント８２の外周から補助電極８１の軸線方向（延在方向）に突出する外筒８３と、外筒８３の内部において補助電極８１の先端部を囲むように配置された環状の主陰極８４（電極）と、を有する。

【0032】

補助電極８１はパイプマウント８２の凹部８２１に挿入された状態で固定されている。凹部８２１には貫通孔８２２が連通している。補助電極８１が凹部８２１の内部に固定された状態において補助電極８１の内部と貫通孔８２２とが互いに連通する。パイプマウント８２の貫通孔８２２は、カソードフランジ９０（図２参照）に設けられた貫通孔（図示せず）と連通し、アルゴン（Ａｒ）ガス等の放電用の不活性ガスが供給される供給流路となる。従って、補助電極８１は、不活性ガスを供給する不活性ガス供給管として機能する。補助電極８１は、一例として、タングステン（Ｗ）によって構成されている。

【0033】

外筒８３は、補助電極８１を取り巻くように設けられる筒状の部材である。外筒８３は、補助電極８１の先端側（パイプマウント８２とは逆側）の一端側を開放している。主陰極８４は、例えば、６ホウ化ランタン（Ｌａｂ_６）によって構成されている。この場合、低エネルギーでより多くの電子を放出することが可能となる。しかしながら、主陰極８４の材料は、６ホウ化ランタン（Ｌａｂ_６）以外のものであってもよいし、６ホウ化ランタン（Ｌａｂ_６）以外のものを含んでいてもよい。主陰極８４等、陰極管８０に用いられる電極の材料については後に詳述する。

【0034】

補助電極８１と主陰極８４によってカソードが構成される。主陰極８４は、例えば、外筒８３の内壁に接するように固定された円環状の第１支持部材８５及び第２支持部材８６（シム）に挟み込まれることによって外筒８３に支持される。ただし、外筒８３の内部における主陰極８４の支持方法は、上記の例に限定されない。なお、主陰極８４及び補助電極８１によって構成されるカソードは、図示しない主電源に接続されている。

【0035】

外筒８３の先端（パイプマウント８２とは反対側の端部）には、円環状の蓋体８７が設けられている。蓋体８７は開口８７１を有する。開口８７１の径（内径）は、外筒８３の開口の径よりも小さく、且つ補助電極８１の内径よりも大きい。蓋体８７は、開口８７１よりも大きな開口を有する第３支持部材８８を介して外筒８３に固定される。なお、蓋体８７の固定方法については特に限定されない。蓋体８７と外筒８３によって、主陰極８４及び補助電極８１が保護される。

【0036】

以上のように構成された陰極管８０を含むプラズマガン７では、ガスタンク（図示せず）から供給される不活性ガスがパイプマウント８２の貫通孔８２２、及び補助電極８１の内部を通過する。そして、当該不活性ガスは、補助電極８１の先端から放出されてガラス管９２の内部空間に供給される。これにより、プラズマガン７の内部では、カソード（主陰極８４及び補助電極８１）側の圧力が高くなる圧力勾配が生じる。

【0037】

図示しない主電源によってアノードとなる主ハース２１と、カソードとなる主陰極８４及び補助電極８１と、の間に電圧を印加すると、補助電極８１においてグロー放電が行われる。このグロー放電により、補助電極８１の先端部分の温度が上昇し、この熱で主陰極８４が加熱されて高温となる。その結果、補助電極８１及び主陰極８４においてアーク放電（直流アーク放電）が行われ、カソード（補助電極８１及び主陰極８４）から高熱の電子が放出されてプラズマが発生する。発生したプラズマは、第１中間電極７１及び第２中間電極７２の中央に形成されたオリフィス通路Ｒを通過し、プラズマ口１０ｃからチャンバー１０の内部に放射される。チャンバー１０の内部に放出されたプラズマは、プラズマビームＰとしてチャンバー１０の内部においてステアリングコイル１２等によってガイドされながら主ハース２１に到達し、主ハース２１に収納された成膜材料Ｍａを加熱する。蒸発した金属粒子はプラズマ中でイオン化し、負電圧に印加された被成膜物１１に付着し、被成膜物１１上に膜が形成される。

【0038】

陰極管８０の外筒８３、第１支持部材８５、第２支持部材８６及び第３支持部材８８は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）によって構成されている。一方、蓋体８７の材料は、主陰極８４の材料と同一の材料を含んでいる。前述したように、主陰極８４の材料は、例えば６ホウ化ランタン（Ｌａｂ_６）であるため、蓋体８７の材料は６ホウ化ランタン（Ｌａｂ_６）を含んでいる。

【0039】

図４は陰極管８０の電極として用いられる材料の温度と電流密度との関係を示すグラフであり、図５は陰極管８０の電極として用いられる材料の特性を示す表である。図４及び図５に示されるように、陰極管８０の電極は、６ホウ化ランタン（Ｌａｂ_６）、Ｗ／Ｔｈ（トリウム分散タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）及びＲｅ（レニウム）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。しかしながら、陰極管８０の電極の材料としては、仕事関数φｗが小さい、すなわち、低温時であっても高い電流密度を得られることが好ましく、その観点では、６ホウ化ランタン及びトリウム分散タングステンが好ましい。但し、６ホウ化ランタンは、トリウム分散タングステンと比較して、入手容易性が高く且つ種々の動作環境で使用可能であるため、コストが抑えられると共に取扱性が良好であるという利点がある。従って、本実施形態では、陰極管８０の電極（主陰極８４）の材料として、６ホウ化ランタンが用いられる。

【0040】

前述したように、蓋体８７の材料は、陰極管８０の電極の材料と同一の材料を含む。従って、蓋体８７は、６ホウ化ランタン（Ｌａｂ_６）、Ｗ／Ｔｈ（トリウム分散タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）及びＲｅ（レニウム）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。また、蓋体８７の材料としては、６ホウ化ランタン及びトリウム分散タングステンが好ましく、更に６ホウ化ランタンが好ましい。この場合、蓋体８７を陰極管８０の電極（主陰極８４）と同様に機能させることができる。なお、外筒８３、第１支持部材８５、第２支持部材８６及び第３支持部材８８の材料が蓋体８７の材料と同様であってもよい。

【0041】

次に、本実施形態に係るプラズマガン７の作用効果について説明する。図３に示されるように、プラズマガン７では、一端が開放された外筒８３の内部に主陰極８４が設けられ、外筒８３の一端には開口８７１付きの蓋体８７が取り付けられる。蓋体８７の開口８７１の径は外筒８３の開口の径よりも小さく、蓋体８７の材料は主陰極８４の材料と同一の材料を含んでいる。従って、陰極管８０の蓋体８７の材料が主陰極８４に付着しても、蓋体８７の材料が主陰極８４の材料を含むことによって主陰極８４に付着する異物の量を低減させることができる。

【0042】

従って、膜中（成膜材料Ｍａ中）への異物の混入、及び製品（被成膜物１１）の不具合の発生を抑制することができる。また、主陰極８４の材料を含む蓋体８７の材料が主陰極８４に付着しても、放電を不安定になりにくくすることができる。更に、蓋体８７の材料が主陰極８４の材料を含むことにより、蓋体８７を電極として機能させることができる。よって、電極として機能する部分の表面積を増やすことができるので、放電パワーを高めることができる。従って、従来よりも大きな電流を流すことができる。

【0043】

前述したように、蓋体８７は、主陰極８４の材料と同一の材料によって構成されていてもよい。この場合、蓋体８７の材料が電極材料によって構成されるため、主陰極８４への異物の付着を回避しつつ、放電を安定させることができる。更に、放電パワーを高めてより大きな電流を流すことができる。

【0044】

前述したように、蓋体８７は、６ホウ化ランタン（Ｌａｂ_６）によって構成されていてもよい。この場合、蓋体８７がＬａｂ_６によって構成されるので、一層多くの電子を放出させることができる。従って、蓋体８７を高熱電子発生源として用いることができるので、更に大きな電流を流すことができる。

【0045】

以上、成膜装置１について説明した。しかしながら、成膜装置の構成は、前述した各例に限定されない。成膜装置には、半導体膜に負イオンを照射する負イオン生成装置が組み込まれていてもよい。以下では、図６を参照しながら、負イオン生成装置１２４が組み込まれた成膜装置１０１について説明する。

【0046】

成膜装置１０１において用いられる負イオンは、電子親和力が正の物質であり、酸素の負イオンが用いられてもよい。負イオンとして、原子では、Ｈ、Ｃ、Ｏ、Ｆ、Ｓｉ、Ｓ、Ｃｌ、Ｂｒ、又はＩ等、分子では、Ｏ_２、Ｃｌ_２、Ｂｒ_２、Ｉ_２、ＣＨ、ＯＨ、ＣＮ、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＮＨ_２、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２、ＣＣｌ_４、又はＳＦ_６等が用いられる。負イオン生成装置１２４が半導体膜に対してどの程度の負イオンを照射するかは特に限定されないが、例えば、被照射膜に対して１×１０^１９ｃｍ^－３以上の負イオンを照射してもよい。負イオンの照射量は、表面析出又は粒界析出する程度の量であってもよい。この場合、照射された負イオンは、半導体膜に対して拡散し、有効なドーパントとして機能する。

【0047】

成膜装置１０１は、いわゆるイオンプレーティング法に用いられるイオンプレーティング装置である。なお、説明の便宜上、図６には、ＸＹＺ座標系を示す。Ｙ軸方向は、後述する非単結晶基板１０３が搬送される方向である。Ｘ軸方向は、非単結晶基板１０３と後述するハース機構とが対向する方向である。Ｚ軸方向は、Ｙ軸方向とＸ軸方向とに直交する方向である。

【0048】

成膜装置１０１は、非単結晶基板１０３の板厚方向が水平方向（図６ではＸ軸方向）となるように、非単結晶基板１０３を直立、又は直立させた状態から傾斜した状態で、非単結晶基板１０３が真空チャンバー１１０内に配置されて搬送される、いわゆる縦型の成膜装置である。成膜装置１０１は、真空チャンバー１１０、搬送機構１１３、成膜部１１４、負イオン生成装置１２４、及び磁場発生コイル１３０を備えている。

【0049】

真空チャンバー１１０は、非単結晶基板１０３を収納し成膜処理を行う。真空チャンバー１１０は、成膜材料Ｍａの膜が形成される非単結晶基板１０３を搬送するための搬送室１１０ａと、成膜材料Ｍａを拡散させる成膜室１１０ｂと、プラズマ源１０７からビーム状に照射されるプラズマＰを真空チャンバー１１０に受け入れるプラズマ口１１０ｃとを有する。

【0050】

成膜室１１０ｂは、例えば、負イオンの原料にプラズマＰを供給することで原料に電子を付着させる負イオン生成室である。成膜室１１０ｂは、壁部１１０ｗとして、搬送方向（矢印Ａ）に沿った一対の側壁と、搬送方向（矢印Ａ）と交差する方向（Ｚ軸方向）に沿った一対の側壁１１０ｈ，１１０ｉと、Ｘ軸方向と交差して配置された底面壁１１０ｊと、を有する。搬送機構１１３は、成膜材料Ｍａと対向した状態で非単結晶基板１０３を保持する非単結晶基板保持部材１１６を搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。例えば非単結晶基板保持部材１１６は、非単結晶基板１０３の外周縁を保持する枠体である。搬送機構１１３は、搬送室１１０ａ内に設置された複数の搬送ローラ１１５によって構成されている。搬送ローラ１１５は、搬送方向（矢印Ａ）に沿って等間隔に配置され、非単結晶基板保持部材１１６を支持しつつ搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。なお、非単結晶基板１０３は、例えば非単結晶基板やプラスチック基板などの板状部材が用いられる。

【0051】

続いて、成膜部１１４の構成について詳細に説明する。成膜部１１４は、イオンプレーティング法により成膜材料Ｍａの粒子を非単結晶基板１０３に付着させる。成膜部１１４は、プラズマ源１０７と、ステアリングコイル１２５と、ハース機構１２２と、輪ハース１０６とを有する。プラズマ源１０７は、例えば圧力勾配型のプラズマガンであり、その本体部分が成膜室１１０ｂの側壁に設けられたプラズマ口１１０ｃを介して成膜室１１０ｂに接続されている。プラズマ源１０７は、真空チャンバー１１０内でプラズマＰを生成する。プラズマ源１０７において生成されたプラズマＰは、プラズマ口１１０ｃから成膜室１１０ｂ内へビーム状に出射される。

【0052】

プラズマ源１０７は、電極１６０により一端が閉塞されている。プラズマ源１０７は、前述したプラズマガン７と同様、図３に例示されるように、一端が開放された外筒８３の内部に電極１６０が設けられ、外筒８３の一端には開口８７１付きの蓋体８７が取り付けられる。蓋体８７の開口８７１の径は外筒８３の開口の径よりも小さく、蓋体８７の材料は電極１６０の材料と同一の材料を含んでいる。蓋体８７は、例えば、電極１６０の材料と同一の材料によって構成されている。

【0053】

図６に示されるように、電極１６０とプラズマ口１１０ｃとの間には、第１の中間電極（グリッド）１６１と、第２の中間電極（グリッド）１６２とが同心的に配置されている。第１の中間電極１６１内にはプラズマＰを収束するための環状永久磁石１６１ａが内蔵されている。第２の中間電極１６２内にもプラズマＰを収束するため電磁石コイル１６２ａが内蔵されている。

【0054】

ステアリングコイル１２５は、プラズマ源１０７が装着されたプラズマ口１１０ｃの周囲に設けられている。ステアリングコイル１２５は、プラズマＰを成膜室１１０ｂ内に導く。ステアリングコイル１２５は、ステアリングコイル用の電源（不図示）により励磁される。ハース機構１２２は、成膜材料Ｍａを保持する。ハース機構１２２は、真空チャンバー１１０の成膜室１１０ｂ内に設けられ、搬送機構１１３から見てＸ軸方向の負方向に配置されている。ハース機構１２２は、プラズマ源１０７から出射されたプラズマＰを成膜材料Ｍａに導く主陽極又はプラズマ源１０７から出射されたプラズマＰが導かれる主陽極である主ハース１１７を有する。

【0055】

主ハース１１７は、成膜材料Ｍａが充填されたＸ軸方向の正方向に延びた筒状の充填部１１７ａと、充填部１１７ａから突出したフランジ部１１７ｂとを有する。プラズマＰが入射する主ハース１１７の充填部１１７ａには、成膜材料Ｍａを充填するための貫通孔１１７ｃが形成されている。そして、成膜材料Ｍａの先端部分が、この貫通孔１１７ｃの一端において成膜室１１０ｂに露出している。成膜材料Ｍａが絶縁性物質からなる場合、主ハース１１７にプラズマＰが照射されると、プラズマＰからの電流によって主ハース１１７が加熱され、成膜材料Ｍａの先端部分が蒸発又は昇華し、プラズマＰによりイオン化された成膜材料粒子（蒸発粒子）Ｍｂが成膜室１１０ｂ内に拡散する。また、成膜材料Ｍａが導電性物質からなる場合、主ハース１１７にプラズマＰが照射されると、プラズマＰが成膜材料Ｍａに直接入射し、成膜材料Ｍａの先端部分が加熱されて蒸発又は昇華し、プラズマＰによりイオン化された成膜材料粒子Ｍｂが成膜室１１０ｂ内に拡散する。成膜室１１０ｂ内に拡散した成膜材料粒子Ｍｂは、成膜室１１０ｂのＸ軸正方向へ移動し、搬送室１１０ａ内において非単結晶基板１０３の表面に付着する。

【0056】

輪ハース１０６は、プラズマＰを誘導するための電磁石を有する補助陽極である。輪ハース１０６は、成膜材料Ｍａを保持する主ハース１１７の充填部１１７ａの周囲に配置されている。輪ハース１０６は、環状のコイル１０９と環状の永久磁石部１２０と環状の容器１１２とを有し、コイル１０９及び永久磁石部１２０は容器１１２に収容されている。輪ハース１０６は、コイル１０９に流れる電流の大きさに応じて、成膜材料Ｍａに入射するプラズマＰの向き、または、主ハース１１７に入射するプラズマＰの向きを制御する。

【0057】

続いて、負イオン生成装置１２４の構成について詳細に説明する。負イオン生成装置１２４は、プラズマ源１０７と、原料ガス供給部１４０と、制御部１５０と、回路部１３４とを有する。プラズマ源１０７は、成膜室１１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成する。具体的には、プラズマ源１０７は、制御部１５０によって成膜室１１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成するように制御される。

【0058】

制御部１５０は、例えば、真空チャンバー１１０内におけるプラズマＰの生成状態を制御する。制御部１５０は、真空チャンバー１１０内におけるプラズマＰの電子温度を低下させる。原料ガス供給部１４０は、真空チャンバー１１０の外部に配置されている。原料ガス供給部１４０は、成膜室１１０ｂの側壁（例えば、側壁１１０ｈ）に設けられたガス供給口１４１を通し、真空チャンバー１１０内へ酸素負イオンの原料ガスである酸素ガスを供給する。原料ガス供給部１４０は、例えば成膜処理モードから酸素負イオン生成モードに切り替わると、酸素ガスの供給を開始する。また、原料ガス供給部１４０は、成膜処理モード及び酸素負イオン生成モードの両方において酸素ガスの供給を行い続けてもよい。

【0059】

ガス供給口１４１の位置は、成膜室１１０ｂと搬送室１１０ａとの境界付近の位置であってもよい。この場合、原料ガス供給部１４０からの酸素ガスを、成膜室１１０ｂと搬送室１１０ａとの境界付近に供給することができるので、当該境界付近において後述する酸素負イオンの生成が行われる。よって、生成した酸素負イオンを、搬送室１１０ａにおける非単結晶基板１０３に好適に付着させることができる。

【0060】

制御部１５０は、真空チャンバー１１０の外部に配置されている。制御部１５０は、回路部１３４が有する切替部を切り替える。制御部１５０による切替部の切り替えについては、以下、回路部１３４の説明と併せて詳述する。回路部１３４は、可変電源１８０と、第１の配線１７１と、第２の配線１７２と、抵抗器Ｒ１～Ｒ４と、短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、を有する。可変電源１８０は、接地電位にある真空チャンバー１１０を挟んで、負電圧をプラズマ源１０７の電極１６０に、正電圧をハース機構１２２の主ハース１１７に印加する。これにより、可変電源１８０は、プラズマ源１０７の電極１６０とハース機構１２２の主ハース１１７との間に電位差を発生させる。

【0061】

第１の配線１７１は、プラズマ源１０７の電極１６０を、可変電源１８０の負電位側と電気的に接続する。第２の配線１７２は、ハース機構１２２の主ハース１１７（陽極）を、可変電源１８０の正電位側と電気的に接続している。抵抗器Ｒ１は、一端がプラズマ源１０７の第１の中間電極１６１と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線１７２を介して可変電源１８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ１は、第１の中間電極１６１と可変電源１８０との間において直列接続されている。

【0062】

抵抗器Ｒ２は、一端がプラズマ源１０７の第２の中間電極１６２と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線１７２を介して可変電源１８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ２は、第２の中間電極１６２と可変電源１８０との間において直列接続されている。抵抗器Ｒ３は、一端が成膜室１１０ｂの壁部１１０ｗと電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線１７２を介して可変電源１８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ３は、成膜室１１０ｂの壁部１１０ｗと可変電源１８０との間において直列接続されている。

【0063】

抵抗器Ｒ４は、一端が輪ハース１０６と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線１７２を介して可変電源１８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ４は、輪ハース１０６と可変電源１８０との間において直列接続されている。短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、それぞれ前述の制御部１５０から指令信号を受信することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態に切り替えられる切替部である。この切替部により、電極（第２の中間電極１６２）への電流の流れ易さが切り替わる。

【0064】

短絡スイッチＳＷ１は、抵抗器Ｒ２に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ１は、成膜処理モードであるか酸素負イオンモードであるかに応じて、制御部１５０によってＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ１は、成膜処理モードにおいてはＯＦＦ状態とされる。これにより、成膜処理モードにおいては、第２の中間電極１６２と可変電源１８０とが抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に接続されるので、第２の中間電極１６２と可変電源１８０との間には電流が流れにくい。その結果、プラズマ源１０７からのプラズマＰが真空チャンバー１１０内に出射され、成膜材料Ｍａに入射する。

【0065】

一方、短絡スイッチＳＷ１は、酸素負イオン生成モードにおいては、プラズマ源１０７からのプラズマＰを真空チャンバー１１０内で間欠的に生成するため、制御部１５０によってＯＮ／ＯＦＦ状態が所定間隔で切り替えられる。短絡スイッチＳＷ１がＯＮ状態に切り替えられると、第２の中間電極１６２と可変電源１８０との間の電気的な接続が短絡するので、第２の中間電極１６２と可変電源１８０との間に電流が流れる。すなわち、プラズマ源１０７に短絡電流が流れる。その結果、プラズマ源１０７からのプラズマＰが真空チャンバー１１０内に出射されなくなる。

【0066】

短絡スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態に切り替えられると、第２の中間電極１６２と可変電源１８０とが抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に接続されるので、第２の中間電極１６２と可変電源１８０との間には電流が流れにくい。その結果、プラズマ源１０７からのプラズマＰが真空チャンバー１１０内に出射される。このように、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が制御部１５０によって所定間隔で切り替えられることにより、プラズマ源１０７からのプラズマＰが真空チャンバー１１０内において間欠的に生成される。すなわち、短絡スイッチＳＷ１は、真空チャンバー１１０内へのプラズマＰの供給と遮断とを切り替える切替部である。

【0067】

短絡スイッチＳＷ２は、抵抗器Ｒ４に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ２は、例えば成膜処理モードになる前の非単結晶基板１０３の搬送前の状態であるスタンバイモードであるか成膜処理モードであるかに応じて、制御部１５０によってＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ２は、スタンバイモードではＯＮ状態とされる。これにより、輪ハース１０６と可変電源１８０との間の電気的な接続が短絡するので、主ハース１１７よりも輪ハース１０６に電流を流しやすくなり、成膜材料Ｍａの無駄な消費を防ぐことができる。

【0068】

一方、短絡スイッチＳＷ２は、成膜処理モードではＯＦＦ状態とされる。これにより、輪ハース１０６と可変電源１８０が抵抗器Ｒ４を介して電気的に接続されるので、輪ハース１０６よりも主ハース１１７に電流を流しやすくなり、プラズマＰの出射方向を好適に成膜材料Ｍａに向けることができる。なお、短絡スイッチＳＷ２は、酸素負イオン生成モードではＯＮ状態又はＯＦＦ状態のいずれの状態とされてもよい。

【0069】

磁場発生コイル１３０は、負イオン生成室である成膜室１１０ｂでの負イオン生成中、成膜室１１０ｂ内の電子が搬送室１１０ａへ流入するのを抑制する。磁場発生コイル１３０は、真空チャンバー１１０内であって、成膜室１１０ｂと搬送室１１０ａとの間に設けられている。磁場発生コイル１３０は、例えばハース機構１２２と搬送機構１１３との間に配置されている。より具体的には、磁場発生コイル１３０は、成膜室１１０ｂの搬送室１１０ａ側の端部と、搬送室１１０ａの成膜室１１０ｂ側の端部とに介在するように位置している。磁場発生コイル１３０は、互いに対向する一対のコイル１３０ａ，１３０ｂを有する。各コイル１３０ａ，１３０ｂは、例えば成膜室１１０ｂから搬送室１１０ａへ向かう方向（ハース機構１２２から搬送機構１１３へ向かう方向）に交差する方向で互いに対向している。磁場発生コイル１３０は、例えば、成膜室１１０ｂから搬送室１１０ａへ向かう方向と交差する方向に伸びる磁力線を有する封止磁場を真空チャンバー１１０内に形成する。

【0070】

磁場発生コイル１３０は、成膜処理モードにおいては励磁されず、酸素負イオン生成モードにおいて磁場発生コイル１３０用の電源（不図示）により励磁される。ここで、成膜処理モードとは、真空チャンバー１１０内で非単結晶基板１０３に対して成膜処理を行うモードである。酸素負イオン生成モードは、真空チャンバー１１０内で非単結晶基板１０３に形成された膜の表面に付着させるための酸素負イオンの生成を行うモードである。

【0071】

以上、負イオン生成装置１２４を備えた成膜装置１０１では、図３に例示されるように、プラズマ源１０７において、一端が開放された外筒８３の内部に電極１６０が設けられ、外筒８３の一端には開口８７１付きの蓋体８７が取り付けられる。蓋体８７の開口８７１の径は外筒８３の開口の径よりも小さく、蓋体８７の材料は電極１６０の材料と同一の材料を含んでいる。従って、蓋体８７の材料が電極１６０に付着しても、蓋体８７の材料が電極１６０の材料を含むことによって電極１６０に付着する異物の量を低減させることができる。

【0072】

具体例として、電極１６０がＬａＢ_６によって構成されており、蓋体８７がタングステンによって構成されている場合、負イオン生成装置１２４の使用では、電極１６０にタングステンが付着し更に付着したタングステンが剥がれないことがあるので、装置停止後の再放電が安定しないことが想定される。これに対し、本実施形態では、蓋体８７の材料が電極１６０の材料を含むことによって電極１６０に付着するタングステンの量を低減できるので、電極１６０の安定化に寄与する。従って、負イオン生成装置１２４を備えた成膜装置１０１からは前述した成膜装置１と同様の効果が得られる。

【0073】

以上、本開示に係るプラズマガン、成膜装置、及び負イオン生成装置の実施形態について説明した。しかしながら、本開示は、前述した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲において変形してもよい。本開示に係るプラズマガン、成膜装置、及び負イオン生成装置の各部の構成、機能、形状、大きさ、数、材料及び配置態様は、上記の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。すなわち、前述した成膜装置１、プラズマガン７、陰極管８０及び負イオン生成装置１２４の構成は一例に過ぎず、成膜装置、プラズマガン、陰極管及び負イオン生成装置の形状及び構成等は適宜変更されてもよい。

【符号の説明】

【0074】

１，１０１…成膜装置、２…ハース機構、３…搬送機構、６，１０６…輪ハース、６ａ…コイル、６ｂ…永久磁石、７…プラズマガン、８…圧力調整装置、１０…チャンバー、１０ａ…搬送部、１０ｂ…成膜部、１０ｃ，１１０ｃ…プラズマ口、１１…被成膜物、１２…ステアリングコイル、１５，１１５…搬送ローラ、１６…被成膜物保持部、２１…主ハース、７０…中間電極、７１…第１中間電極、７２…第２中間電極、７３…シールカラー、７４…空芯コイル、７５…永久磁石、８０…陰極管、８１…補助電極、８２…パイプマウント、８３…外筒、８４…主陰極（電極）、８５…第１支持部材、８６…第２支持部材、８７…蓋体、８８…第３支持部材、９０…カソードフランジ、９２…ガラス管、１０３…非単結晶基板、１０７…プラズマ源、１０９…コイル、１１０…真空チャンバー、１１０ａ…搬送室、１１０ｂ…成膜室、１１０ｈ…側壁、１１０ｉ…側壁、１１０ｊ…底面壁、１１０ｗ…壁部、１１２…容器、１１３…搬送機構、１１４…成膜部、１１６…非単結晶基板保持部材、１１７…主ハース、１１７ａ…充填部、１１７ｂ…フランジ部、１１７ｃ…貫通孔、１２０…永久磁石部、１２２…ハース機構、１２４…負イオン生成装置、１２５…ステアリングコイル、１３０…磁場発生コイル、１３０ａ，１３０ｂ…コイル、１３４…回路部、１４０…原料ガス供給部、１４１…ガス供給口、１５０…制御部、１６０…電極、１６１，１６２…中間電極、１６１ａ…環状永久磁石、１６２ａ…電磁石コイル、１７１，１７２…配線、１８０…可変電源、８２１…凹部、８２２…貫通孔、８７１…開口、Ｍａ…成膜材料、Ｍｂ…成膜材料粒子、Ｐ…プラズマビーム（プラズマ）、Ｒ…オリフィス通路、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…抵抗器、ＳＷ１，ＳＷ２…短絡スイッチ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】