JP2005197371A - Method and apparatus for generating high area/high density plasma by microwave discharge - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波放電を利用し大面積・高密度プラズマを生成させる方法及びそのための装置に関する。 The present invention relates to a method for generating a large-area, high-density plasma using a microwave discharge and an apparatus therefor.
現在、夜晶ディスプレイ(LCD)や太陽電池には大面積の薄膜堆積・加工技術が求められている。液晶ディスプレイの場合、1メートル角(面積1m2 )の薄膜が低密度(〜1010/cm3)の容量結合プラズマを用いて作製されている。 Currently, large-area thin film deposition and processing techniques are required for night display (LCD) and solar cells. In the case of a liquid crystal display, a 1 meter square (area 1 m 2 ) thin film is produced using a low density (−10 10 / cm 3 ) capacitively coupled plasma.
しかし、将来的には電子デバイスの大面積化は、需要面から見て必然的に要求され、3m角程度の大面積(>10m2)の薄膜が必要とされると共に、生産性および膜質の向上のために、従来に比し1桁上の高密度(>1011/cm3)のプラズマを用いる新技術の開発が求められている。 However, in the future, an increase in area of electronic devices is inevitably required from the viewpoint of demand, and a thin film having a large area of about 3 m square (> 10 m 2 ) is required, and productivity and film quality are improved. In order to improve, development of a new technology using plasma with a high density (> 10 11 / cm 3 ), which is one digit higher than conventional ones, is required.
このような大面積薄膜のブラズマプロセスを実現するためには、プラズマの高密度化と大面積化の2つの課題を同時に達成しなければならない。現在は容量結合型の高周波放電が使用されており、大面積化はその従来技術の延長によって達成可能と見られているが、高密度化については、その達成は放電の原理からみて不可能に近い。 In order to realize such a large-area thin film plasma process, it is necessary to simultaneously achieve the two problems of increasing the plasma density and increasing the area. Currently, capacitively coupled high-frequency discharges are used, and it is considered that a large area can be achieved by extending the conventional technology. However, it is impossible to achieve high density in view of the discharge principle. close.
一方、同じ高周波放電でも誘導結合型の放電を用いれば高密度プラズマを得ることができるが、3メートル角ほどの大面積になると、放電には数10個の放電アンテナと電源、整合器が必要となり、均一な密度分布を得るのは困難である。 On the other hand, high-density plasma can be obtained even with the same high-frequency discharge using inductively coupled discharge. However, when the area is about 3 meter square, several tens of discharge antennas, power supply, and matching unit are required for discharge. Thus, it is difficult to obtain a uniform density distribution.
また、高密度プラズマを得る他の方法として、図4に示すようなマイクロ波放電を利用する技術がある。図において、1はプラズマ発生室となる真空容器、2は真空容器の上面を形成する誘電体板、3は誘電体板をカバーする金属製シールド、4は導波管、5はスロットアンテナ、6は真空シール用のOリングである。 As another method for obtaining high-density plasma, there is a technique using microwave discharge as shown in FIG. In the figure, 1 is a vacuum vessel that becomes a plasma generation chamber, 2 is a dielectric plate that forms the upper surface of the vacuum vessel, 3 is a metal shield that covers the dielectric plate, 4 is a waveguide, 5 is a slot antenna, 6 Is an O-ring for vacuum sealing.
このように構成されたプラズマ発生装置は、導波管4から導入されたマイクロ波が金属製シールド3の窓孔との結合によりマイクロ波照射アンテナ(通常、スロットアンテナ)5を形成し、該スロットアンテナ5から低圧力の反応性ガスで満たされた真空容器1の内に、大気側からアンテナ前面の誘電体窓を通してマイクロ波を照射し、その周波数の表面波を誘電体板2に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成する。
In the plasma generator configured in this way, a microwave introduced from the
しかし、従来のこのようなプラズマ発生装置は、表面波伝搬用の誘電体板2そのものを用いてOリング6を介して真空容器1の真空シールを行い、誘電体板2はスロットアンテナ5をカバーする誘電体窓も兼ねている。ここで、誘電体材料としては、石英、アルミナ等の各種酸化物が多く用いられ、この他に窒化物・炭化物等も使用可能である。
However, such a conventional plasma generator performs vacuum sealing of the
その結果、プラズマが大面積(大口径)になるにつれて、誘電体板にかかる大気の圧力が膨大になり、これに耐えるために必要な厚さ(10〜20mm)の分厚く高価な誘電体板が必要となる。例えば、石英円板を使用する場合、面積1m2 となる直径のものでは8トンの力が加わるので7cm以上の厚さ、面積3m2 となる直径のものでは73トンの力に上昇するので20cm以上の厚い石英板を使用しないと、大気と真空の圧力差に負けて石英板が割れてしまうことになる。 As a result, as the plasma becomes a large area (large diameter), the atmospheric pressure applied to the dielectric plate becomes enormous. Necessary. For example, when a quartz disk is used, a force of 8 tons is applied to a material with a diameter of 1 m 2, and thus a thickness of 7 cm or more, and a material having a diameter of 3 m 2 increases to a force of 73 tons. If the above thick quartz plate is not used, the quartz plate will break under the pressure difference between the atmosphere and vacuum.
従来のプラズマ発生装置をより少し改良したものとして、図5に示すものも知られている。図において、図4と同一物には同じ符号を付している。1はプラズマ発生室となる真空容器、2は真空容器の上面を形成する誘電体板、3は誘電体板をカバーする金属製シールド、4は導波管、5はスロットアンテナ、6は真空シール用のOリング、7は支持枠、8は金属製支柱である。
As a further improvement of the conventional plasma generator, the one shown in FIG. 5 is also known. In the figure, the same components as those in FIG. DESCRIPTION OF
図5のプラズマ発生装置は導波管4が2つ設けられていて、夫々にスロットアンテナ5が形成され、低圧力の反応性ガスで満たされた真空容器1の内に、大気側からアンテナ前面の誘電体窓を通してマイクロ波を照射し、その周波数の表面波を夫々の誘電体板2に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成するものである。
The plasma generator of FIG. 5 is provided with two
このタイプのものは、2つのプラズマ発生装置によりプラズマが生成されるので、誘電体板2を図4のものより薄くすることが可能で、かつ大面積にする必要はないが、誘電体板2そのものを用いて真空容器1の真空シールを行い、誘電体板2はスロットアンテナ5をカバーする誘電体窓も兼ねているので、誘電体板には大気による大きな力が加わると共に、耐用期間が過ぎた後の交換も容易でなかった。
In this type, since plasma is generated by two plasma generators, the
また、プラズマ発生室に複数の導波管を等間隔に平行配置すると共に、各々の導波管には先端側に向かって結合係数を順次大きくした結合孔を形成し、更に、プラズマ発生室には、各々の結合孔に対応して分割形成した誘電体窓を設け、結合孔各々からプラズマ発生室内に放射させて、一様な密度で高密度の大面積のプラズマを発生させるもので、誘電体板そのものを用いて真空容器の真空シールを行い、誘電体板はスロットアンテナをカバーする誘電体窓も兼ねているプラズマ発生装置は公知である(例えば、特許文献1参照)。
このように、従来の誘電体板そのものを用いて真空容器の真空シールを行い、誘電体板はスロットアンテナをカバーする誘電体窓も兼ねているプラズマ発生装置では、厚い高価な誘電体材料を必要とし、異常放電等で材料表面が破壊されたときやプラズマで損耗した際のメンテナンスとして、新しい誘電体板に交換することは安易にできないという問題があった。そこで本発明は、マイクロ波放電を採用することにより厚く高価な誘電体板を使用することなく、プラズマの高密度化と大面積化を両立させるためのマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成方法及び装置を得ることを目的とする。 In this way, the vacuum seal of the vacuum vessel is performed using the conventional dielectric plate itself, and the dielectric plate also needs a thick and expensive dielectric material in the plasma generator that also serves as a dielectric window covering the slot antenna. As a maintenance when the material surface is destroyed due to abnormal discharge or the like, or when it is worn out by plasma, there is a problem that it cannot be easily replaced with a new dielectric plate. Therefore, the present invention adopts microwave discharge, and does not use a thick and expensive dielectric plate, and does not use a thick and expensive dielectric plate. It aims at obtaining the production | generation method and apparatus.
上記目的を達成するために、この発明の請求項1に係るマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成方法は、プラズマ発生室となる真空容器に小さな誘電体窓によって真空シールを行い、大面積の誘電体板は真空側で金属壁の内壁に装着し、大気側からアンテナ前面の前記誘電体窓を通してマイクロ波を照射し、その周波数の表面波を大面積の誘電体板に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成するように構成した。 In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a method for generating a large area and high density plasma by microwave discharge, wherein a vacuum container serving as a plasma generation chamber is vacuum sealed with a small dielectric window, The dielectric plate of the area is attached to the inner wall of the metal wall on the vacuum side, irradiated with microwaves from the atmosphere side through the dielectric window in front of the antenna, and the surface wave of that frequency propagates along the dielectric plate of the large area To generate high-density plasma.
これにより、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置して夫々に機能を分担させ、マイクロ波放電を採用することにより厚く高価な誘電体板を使用することなく、プラズマの高密度化と大面積化を両立させることができる。 As a result, a small-area dielectric window for vacuum sealing and a large-area dielectric plate are separately arranged to share functions, and a thick and expensive dielectric plate is used by adopting microwave discharge. Therefore, both high-density plasma and large area can be achieved.
この発明の請求項2に係るマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置は、プラズマ発生室に導波管を介してマイクロ波エネルギーを供給してプラズマを発生させるプラズマの生成装置において、プラズマ発生室となる真空容器に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置し、小面積の誘電体窓は導波管の結合孔に対応させ、大面積の誘電体板は真空側で真空容器の上面を形成する金属壁の内壁に装着して構成した。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a plasma generation apparatus for generating plasma by supplying microwave energy to a plasma generation chamber via a waveguide. A small-area dielectric window for vacuum sealing and a large-area dielectric plate are separately placed in a vacuum vessel that serves as a plasma generation chamber. The small-area dielectric window corresponds to the coupling hole of the waveguide. The dielectric plate having the area was mounted on the inner wall of the metal wall forming the upper surface of the vacuum vessel on the vacuum side.
これにより、面積の小さな誘電体窓で真空シールをし、面積の大きい誘電体板は、真空側で金属壁の内壁に装着することにより、真空容器の壁に加わる大気の圧力はこの金属製の壁が支えることになり、誘電体板には大気による力が全く加わらないので、薄くて安価な誘電体板を使用でき、耐用期間が過ぎた後の交換も容易になる。 As a result, vacuum sealing is performed with a dielectric window having a small area, and a dielectric plate with a large area is attached to the inner wall of the metal wall on the vacuum side, so that the atmospheric pressure applied to the wall of the vacuum vessel is made of this metal. Since the wall supports the dielectric plate, no force from the atmosphere is applied to the dielectric plate, so that a thin and inexpensive dielectric plate can be used, and replacement after the end of its useful life is facilitated.
この発明の請求項3に係るマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置は、プラズマ発生室に導波管を介してマイクロ波エネルギーを供給してプラズマを発生させるプラズマの生成装置において、プラズマ発生室となる真空容器に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置し、小面積の誘電体窓が複数設けられ、その各々の誘電体窓は導波管の底面に細長い複数本のスロットを切った結合孔に対応させ、そこから真空シール用の誘電体窓を通して容器内にマイクロ波を入射させ、大面積の誘電体板は真空側で真空容器の上面を形成する金属壁の内壁に装着して構成した。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a plasma generation apparatus for generating plasma by supplying microwave energy to a plasma generation chamber via a waveguide. A vacuum container serving as a plasma generation chamber is provided with a small-area dielectric window for vacuum sealing and a large-area dielectric plate, and a plurality of small-area dielectric windows are provided. Corresponding to a coupling hole in which a plurality of elongated slots are cut on the bottom of the waveguide, microwaves are incident on the container through a dielectric window for vacuum sealing, and a large area dielectric plate is vacuumed on the vacuum side. It was constructed by mounting on the inner wall of the metal wall that forms the upper surface of the container.
これにより、導波管の底面の複数つの細長いスロットに対応する真空シール用の誘電体窓を設け、そこを通して容器内にマイクロ波を入射することにより、誘電体板の表面に沿って表面波が伝搬し、均一な大面積プラズマを生成できることができる。 As a result, a dielectric window for vacuum sealing corresponding to a plurality of elongated slots on the bottom surface of the waveguide is provided, and a microwave is incident on the container through the dielectric window, whereby surface waves are generated along the surface of the dielectric plate. Propagating and generating uniform large area plasma.
この発明の請求項4に係るマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置は、プラズマ発生室に導波管を介してマイクロ波エネルギーを供給してプラズマを発生させるプラズマの生成装置において、プラズマ発生室となる真空容器に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置し、小面積の誘電体窓は導波管の結合孔に対応させ、大面積の誘電体板は真空側で真空容器の上面を形成する金属壁の内壁に装着して構成し、誘電体材料としては、石英、アルミナ等の酸化物または窒化物、炭化物等で構成した。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a plasma generation apparatus for generating plasma by supplying microwave energy to a plasma generation chamber via a waveguide. A small-area dielectric window for vacuum sealing and a large-area dielectric plate are separately placed in a vacuum vessel that serves as a plasma generation chamber. The small-area dielectric window corresponds to the coupling hole of the waveguide. The dielectric plate having the area was configured to be mounted on the inner wall of the metal wall forming the upper surface of the vacuum vessel on the vacuum side, and the dielectric material was composed of oxide or nitride such as quartz or alumina, carbide or the like.
以上のように、誘電体窓と誘電体板を分離し、それぞれに機能を分担させる。即ち、面積の小さな誘電体窓で真空シールをし、面積の大きい誘電体板は、真空側で金属壁の内壁に装着することにより、真空容器の壁に加わる大気の圧力はこの金属製の壁が支えることになり、誘電体板には大気による力が全く加わらないので、薄くて安価な誘電体板を使用でき、耐用期間が過ぎた後の交換も容易になる。 As described above, the dielectric window and the dielectric plate are separated, and the functions are assigned to each of them. That is, vacuum sealing is performed with a dielectric window with a small area, and a dielectric plate with a large area is attached to the inner wall of the metal wall on the vacuum side, so that the atmospheric pressure applied to the wall of the vacuum vessel Therefore, since no force from the atmosphere is applied to the dielectric plate, a thin and inexpensive dielectric plate can be used, and replacement after the end of its useful life is facilitated.
本発明は、プラズマの高密度化と大面積化を両立させるため、マイクロ波放電を採用し、プラズマ発生室となる真空容器に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置し、小面積の誘電体窓は導波管の結合孔に対応させ、大面積の誘電体板は真空側で金属壁の内壁に装着して、誘電体窓と誘電体板を分離し、それぞれに機能を分担させる。即ち、面積の小さな誘電体窓で真空シールをし、面積の大きい誘電体板は、真空側で金属壁の内壁に装着する。 The present invention employs microwave discharge in order to achieve both high density and large area of plasma, and a vacuum container serving as a plasma generation chamber, a small area dielectric window for vacuum sealing, and a large area dielectric. The body plate is separated, the small area dielectric window corresponds to the coupling hole of the waveguide, the large area dielectric plate is attached to the inner wall of the metal wall on the vacuum side, and the dielectric window and the dielectric plate , And share the functions with each other. That is, vacuum sealing is performed with a dielectric window having a small area, and a dielectric plate having a large area is attached to the inner wall of the metal wall on the vacuum side.
次に、本発明のの実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明のマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置の構成図である。図において、1はプラズマ発生室となる真空容器、2は真空容器の上面を形成する誘電体板、4は導波管、5はスロットアンテナ、6は真空シール用のOリング、9は金属壁、10は誘電体窓である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus for generating large area and high density plasma by microwave discharge according to the present invention. In the figure, 1 is a vacuum vessel serving as a plasma generation chamber, 2 is a dielectric plate forming the upper surface of the vacuum vessel, 4 is a waveguide, 5 is a slot antenna, 6 is an O-ring for vacuum sealing, and 9 is a metal wall.
プラズマ発生室に導波管を介してマイクロ波エネルギーを供給してプラズマを発生させるプラズマの生成装置において、プラズマ発生室となる真空容器1に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓10と、大面積の誘電体板2を分離配置し、小面積の誘電体窓10は導波管4の結合孔に対応させスロットアンテナ5を形成し、大面積の誘電体板2は真空容器1の上面を形成する金属壁9の真空側の内壁に装着してプラズマの生成装置を構成する。
In a plasma generation apparatus that generates plasma by supplying microwave energy to a plasma generation chamber via a waveguide, a small-area
そして、プラズマ発生室となる真空容器1に小さな誘電体窓10によって真空シールを行い、大面積の誘電体板2は真空側で金属壁9の内壁に装着し、大気側からスロットアンテナ5の前面の誘電体窓10を通してマイクロ波を低圧力の反応性ガスで満たされた真空容器1に照射し、その周波数の表面波を大面積の誘電体板2に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成する。
The
このように、誘電体窓10と誘電体板2を分離し、それぞれに機能を分担させる。即ち、面積の小さな誘電体窓10で真空シールをし、面積の大きい誘電体板2は、真空側で金属壁9の内壁に装着することにより、真空容器1の壁に加わる大気の圧力はこの金属製の壁9が支えることになり、誘電体板2には大気による力が全く加わらないので、薄くて安価な誘電体板を使用でき、耐用期間が過ぎた後の交換も容易になる。
In this way, the
次に、実際の実施例として、軸方向(z方向)の長さ1m、横方向(x方向)と縦方向(y方向)の長さ0.3mの直方体形状の金属真空容器の中に、マイクロ波放電によって1m×0.3mの大きな面積をもつプラズマの生成を試みた。 Next, as an actual embodiment, in a metal vacuum vessel having a rectangular parallelepiped shape having a length of 1 m in the axial direction (z direction) and a length of 0.3 m in the horizontal direction (x direction) and the vertical direction (y direction), An attempt was made to generate plasma having a large area of 1 m × 0.3 m by microwave discharge.
図2、図3は、その装置のxz面内の断面図を模式的に示している。周波数2.45GHz、電力0.3−1.0kWのマイクロ波をTE10モードの矩形導波管(断面サイズ:96mm×27mm)に沿って導入する。この導波管の底面に細長いスロット(幅30mm、長さ1m)を複数(この例では2本)切り、そこから真空シール用の誘電体窓(材質:石英、幅15−30mm、長さ40mm)を通して容器内にマイクロ波を入射する。使用したガスはアルゴンで、圧力は0.2Torrである。 2 and 3 schematically show cross-sectional views in the xz plane of the device. A microwave having a frequency of 2.45 GHz and a power of 0.3 to 1.0 kW is introduced along a TE10 mode rectangular waveguide (cross-sectional size: 96 mm × 27 mm). A plurality of (two in this example) elongated slots (width 30 mm, length 1 m) are cut on the bottom surface of the waveguide, and then a dielectric window for vacuum sealing (material: quartz, width 15-30 mm, length 40 mm). ) Through the container. The gas used was argon and the pressure was 0.2 Torr.
図2のように、石英板(厚さ10mm、幅30cm、長さ1m)を金属壁内面に装着したところ、横方向(x方向)にも一杯までプラズマが広がることが見い出された。これは、誘電体板を設置したことにより、その表面に沿って表面波が伝搬し、プラズマが作られるようになったためである。この実験は、わずか10mmの薄い石英板を金属容器内面に設置することにより、均一な大面積プラズマを生成できることが実証している。
As shown in FIG. 2, when a quartz plate (
これに対して、図3は金属壁(厚さ40mm)そのままの状態でマイクロ波を入射した比較例であり、プラズマはスロットアンテナ直下の誘電体窓に付着いた形で局在し、そこから横方向に広がることはない。即ち、約3cmの幅で長さ1mの細長いプラズマが2本発生することが確認され、目的とした均一な大面積プラズマを生成することはできなかった。 On the other hand, FIG. 3 is a comparative example in which microwaves are incident on the metal wall (thickness 40 mm) as it is, and the plasma is localized in a form attached to the dielectric window directly under the slot antenna, and then from there. It does not spread in the direction. That is, it was confirmed that two elongated plasmas having a width of about 3 cm and a length of 1 m were generated, and the intended uniform large-area plasma could not be generated.
本発明のマイクロ波放電によるプラズマの生成方法及びそのための装置は、大面積・高密度プラズマを必要とする電子工学、電子デバイス作製装置、プラズマ応用装置に利用できる。 The method for generating plasma by microwave discharge and the apparatus therefor according to the present invention can be used in electronics, electronic device manufacturing apparatus, and plasma application apparatus that require large-area and high-density plasma.
1 真空容器(プラズマ発生室)
2 誘電体板
3 金属製シールド
4 導波管
5 スロットアンテナ
6 真空シール用のOリング
7 支持枠
8 金属製支柱
9 金属壁
10 誘電体窓
1 Vacuum container (plasma generation chamber)
2
Claims (4)
3. The apparatus for generating large-area and high-density plasma by microwave discharge according to claim 2, wherein the dielectric material is an oxide such as quartz or alumina, nitride, carbide or the like.
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JP2007317499A (en) * | 2006-05-25 | 2007-12-06 | Shimadzu Corp | Surface wave plasma source |
WO2014118882A1 (en) * | 2013-01-29 | 2014-08-07 | 株式会社島津製作所 | Surface wave plasma processing device |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080617 |