JP4069298B2 - Generation method of high-frequency plasma - Google Patents

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Description

本発明は、膜の堆積、エッチング、プラズマ・インプランテーション等のプラズマ応用プロセスや宇宙推進用のプラズマ発生装置に用いられるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に関する。   The present invention relates to a high-frequency plasma apparatus having a tapped antenna used in plasma application processes such as film deposition, etching, plasma implantation, and the like, and a plasma generator for space propulsion.

高周波を用いたプラズマ生成には、容量性結合型プラズマ、誘導性結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ、以下、ＩＣＰと称する場合もある。）、ヘリコン波プラズマなどがある。
図２７は、薄膜の堆積やエッチングに使用されている容量性結合型プラズマ発生装置７０を模式的に示す図である。反応性ガスが封入されているチャンバ７１に、２枚の平行平板電極である高周波印加電極７２と接地電極７３が配設されていて、高周波発振器７４が印加されてプラズマ７５が発生する。高周波発振器７４の一端は、整合器７６と直流阻止コンデンサ７７を介して高周波印加電極７２に接続され、他端は接地電極７３に接続されるとともに接地されている。プラズマ７５を誘電体とみなすと、平行平板電極７２，７３がコンデンサの形状であることから容量性結合型プラズマと呼ばれる。このプラズマは、平行平板電極に形成される電界による放電によって生じる。典型的放電状態は、ガス圧力が１０〜１０００Ｐａ、電極間隔が１〜１０ｃｍ、高周波電力が１００〜１０００Ｗ程度であり、プラズマ密度は、１×１０16ｍ-3（１×１０10ｃｍ-3）程度である（非特許文献１参照）。 Plasma generation using high frequency includes capacitively coupled plasma, inductively coupled plasma (hereinafter also referred to as ICP), helicon wave plasma, and the like.
FIG. 27 is a diagram schematically showing a capacitively coupled plasma generator 70 used for thin film deposition and etching. A high-frequency application electrode 72 and a ground electrode 73 which are two parallel plate electrodes are disposed in a chamber 71 in which a reactive gas is sealed, and a high-frequency oscillator 74 is applied to generate plasma 75. One end of the high-frequency oscillator 74 is connected to the high-frequency application electrode 72 via the matching unit 76 and the DC blocking capacitor 77, and the other end is connected to the ground electrode 73 and grounded. When the plasma 75 is regarded as a dielectric, the parallel plate electrodes 72 and 73 are called capacitor-coupled plasma because they are in the shape of capacitors. This plasma is generated by electric discharge generated by the electric field formed on the parallel plate electrodes. In a typical discharge state, the gas pressure is 10 to 1000 Pa, the electrode interval is 1 to 10 cm, the high frequency power is about 100 to 1000 W, and the plasma density is 1 × 10 16 m −3 (1 × 10 10 cm −3 ). It is a grade (refer nonpatent literature 1).

プラズマの高密度化のために、近年、半導体の加工装置として誘導性結合型プラズマ（ＩＣＰ）が使用されている。図２８は、プラズマ処理装置に使用されている誘導性結合型プラズマ発生装置８０を模式的に示す図である。半球状の石英容器を備えた反応室８１の外周に沿って上部から下部に向かって形成される巻線状のヘリカルアンテナコイル８２に高周波発振器８３から高周波電力が印加されると、プラズマが生成する。高周波発振器８３の一端は、整合器８４を介してヘリカルアンテナコイル上部８２ａに接続され、他端はヘリカルアンテナコイル下部８２ｂと接続されて接地されている。反応室８１は真空排気口８５を介して排気系８６により真空排気される。ガスは、ガス導入系８７からガス導入口８８を介して反応室８１上部のシャワーヘッドに導入される。反応室８１内の下部には、ウェハ９０を載置するためのステージ９１が設置されていて、このステージ９１は接地されている。
誘導性結合型プラズマ装置８０は、アンテナ電流が作る磁界により放電する。つまり、ファラデーの電磁誘導の法則により磁界の時間変化が電界を誘導し、この電界で電子が加速してプラズマ放電が維持される。ここで、磁界形放電のためのアンテナとしては、円筒形状のヘリカルアンテナ以外には、渦巻形状のスパイラルアンテナも使用されている。誘導性結合型プラズマ装置で得られるプラズマは、プラズマ密度として１０17〜１０18ｍ-3、電子温度２〜４ｅＶ、直径３０ｃｍ程度である。広い圧力範囲（１〜４０Ｐａ）で容易に、大口径で高密度のプラズマが得られる（非特許文献１及び特許文献１参照）。 In recent years, inductively coupled plasma (ICP) has been used as a semiconductor processing apparatus in order to increase the density of plasma. FIG. 28 is a diagram schematically showing an inductively coupled plasma generator 80 used in the plasma processing apparatus. When high-frequency power is applied from a high-frequency oscillator 83 to a wound helical antenna coil 82 formed from the top to the bottom along the outer periphery of the reaction chamber 81 having a hemispherical quartz container, plasma is generated. . One end of the high-frequency oscillator 83 is connected to the helical antenna coil upper part 82a via the matching unit 84, and the other end is connected to the helical antenna coil lower part 82b and grounded. The reaction chamber 81 is evacuated by an exhaust system 86 through a vacuum exhaust port 85. The gas is introduced from the gas introduction system 87 into the shower head above the reaction chamber 81 through the gas introduction port 88. A stage 91 for placing the wafer 90 is installed in the lower part of the reaction chamber 81, and this stage 91 is grounded.
The inductively coupled plasma device 80 is discharged by a magnetic field generated by an antenna current. That is, the time change of the magnetic field induces an electric field according to Faraday's law of electromagnetic induction, and electrons are accelerated by this electric field to maintain the plasma discharge. Here, as an antenna for magnetic field discharge, a spiral antenna having a spiral shape is also used in addition to a cylindrical helical antenna. The plasma obtained by the inductively coupled plasma apparatus has a plasma density of 10 17 to 10 18 m −3 , an electron temperature of 2 to 4 eV, and a diameter of about 30 cm. A large-diameter and high-density plasma can be easily obtained in a wide pressure range (1 to 40 Pa) (see Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).

また、最近、プラズマの高密度化のために、磁場中において電子サイクロトロン周波数より十分低い高周波電流をアンテナに流すと、電子が主役となってプラズマ中を伝わる右回り円偏波などにより低圧力でも高密度のプラズマを生成することができ、ヘリコン波プラズマと呼ばれている。
図２９は、ヘリコン波プラズマ装置の一例を模式的に示す図である。ヘリコン波プラズマ装置１００は、石英管１０１を備えた反応室１０２と、ヘリコン波励起用高周波発振器１０３と、サドルアンテナ１０４と、電磁石１０５と、永久磁石１０６と、基板１０７を載置するステージ１０８と、基板バイアス用高周波発振器１０９とから構成されている。電磁石１０５と永久磁石１０６により形成される磁界をＢで示している。石英管１０１に巻かれたサドルアンテナ１０４に高周波発振器からの高周波電力が印加されると、磁場が励起されヘリコン波プラズマ１１０が励起される。ここで、高周波電力は、プラズマ１１０中の波のエネルギーになり、この波の電界により個々の電子が加速や減衰を受けて、最終的に電子の運動エネルギーが増大してプラズマ１１０が維持される。
ヘリコン波プラズマ装置１００で得られるプラズマは、石英管１０１の直径が１０ｃｍ、ヘリコン波励起用電磁石による磁界が０．０１Ｔ（テスラ）、即ち、１００Ｇ（ガウス）、ヘリコン波励起用高周波発振器１０３として１３．５６ＭＨｚ，１ｋＷを使用し、１〜５Ｐａの圧力において１０18〜１０19ｍ-3のプラズマ密度が得られる（非特許文献１参照）。 Recently, in order to increase the plasma density, if a high-frequency current sufficiently lower than the electron cyclotron frequency is passed through the antenna in a magnetic field, electrons can play a leading role even at low pressure due to clockwise circular polarization that travels in the plasma. It can generate high-density plasma and is called helicon wave plasma.
FIG. 29 is a diagram schematically illustrating an example of a helicon wave plasma apparatus. The helicon wave plasma apparatus 100 includes a reaction chamber 102 having a quartz tube 101, a helicon wave excitation high-frequency oscillator 103, a saddle antenna 104, an electromagnet 105, a permanent magnet 106, and a stage 108 on which a substrate 107 is placed. , And a substrate bias high-frequency oscillator 109. A magnetic field formed by the electromagnet 105 and the permanent magnet 106 is indicated by B. When high frequency power from a high frequency oscillator is applied to the saddle antenna 104 wound around the quartz tube 101, the magnetic field is excited and the helicon wave plasma 110 is excited. Here, the high-frequency power becomes wave energy in the plasma 110, and individual electrons are accelerated or attenuated by the electric field of the wave, and finally the kinetic energy of the electrons is increased to maintain the plasma 110. .
The plasma obtained by the helicon wave plasma apparatus 100 has a quartz tube 101 diameter of 10 cm, a magnetic field generated by a helicon wave excitation electromagnet of 0.01 T (Tesla), that is, 100 G (Gauss), and a high frequency oscillator 103 for helicon wave excitation. A plasma density of 10 18 to 10 19 m −3 is obtained at a pressure of 1 to 5 Pa using .56 MHz and 1 kW (see Non-Patent Document 1).

ヘリコン波または磁場存在下でのＩＣＰは、容量性結合型プラズマに比較して高密度のプラズマが得られるが、従来のヘリコン波プラズマは、小半径の石英管などの絶縁容器の外側に巻く形の小口径プラズマが主流であり、大面積、大容量のプラズマが得られないという欠点があった。   ICP in the presence of a helicon wave or a magnetic field provides a higher density plasma than capacitively coupled plasma, but the conventional helicon wave plasma is wound around an insulating container such as a small radius quartz tube. However, there is a drawback that a large area and large volume plasma cannot be obtained.

最近、本発明者らにより、誘導性結合型プラズマでも一部用いられているスパイラル型のアンテナを容器端に設置するＩＣＰ及びヘリコン波による高周波プラズマ装置が報告されている。直径が約４５ｃｍで、長さが１７０ｃｍの円筒状反応室において、Ａｒ（アルゴン）ガス（８．５ｍＴｏｒｒ）のヘリコン波プラズマが得られている。この高周波プラズマの体積は、他所から報告されている高周波プラズマよりも数倍以上大きい約０．２７ｍ3 である。このときの高周波発振器の周波数が７ＭＨｚ、１００Ｗ〜２ｋＷの出力電力で、プラズマ密度として１×１０10〜１×１０13ｃｍ-3という値が得られている（例えば、非特許文献２、３参照）。 Recently, the present inventors have reported a high-frequency plasma apparatus using ICP and a helicon wave in which a spiral antenna, which is partially used in inductively coupled plasma, is installed at the container end. In a cylindrical reaction chamber having a diameter of about 45 cm and a length of 170 cm, helicon wave plasma of Ar (argon) gas (8.5 mTorr) is obtained. The volume of the high-frequency plasma is about 0.27 m 3 which is several times larger than the high-frequency plasma reported from other places. At this time, the frequency of the high-frequency oscillator is 7 MHz, the output power is 100 W to 2 kW, and a value of 1 × 10 10 to 1 × 10 13 cm −3 is obtained as the plasma density (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3). ).

特開平７−３０２６９４号（図１、図３）JP-A-7-302694 (FIGS. 1 and 3) 菅井 秀郎編集、大江一幸著、「プラズマエレクトロニクス」、株式会社オーム社、平成１２年８月２５日（２０００年）発行、第６章Edited by Hideo Sakurai, Kazuyuki Oe, “Plasma Electronics”, Ohm Co., Ltd., August 25, 2000 (2000), Chapter 6 S. Shinohara, S. Takechi and Y. Kawai, "Effects of the Axial Magnetic Field and Faraday Shield on the Characteristics of RF Produced Plasma Using a Spiral Antenna", Jpn. J. Appl. Phys., 1996, Vol.35 Pt.1, No.8, pp. 4503-4508S. Shinohara, S. Takechi and Y. Kawai, "Effects of the Axial Magnetic Field and Faraday Shield on the Characteristics of RF Produced Plasma Using a Spiral Antenna", Jpn. J. Appl. Phys., 1996, Vol.35 Pt .1, No.8, pp. 4503-4508 篠原俊二郎、「ヘリコン波による高密度プラズマ生成の最近の話題」、プラズマ・核融合学会誌、２００２年１月、Vol.78, No.1, pp.5-18Shunjiro Shinohara, “Recent Topics on High-Density Plasma Production Using Helicon Waves”, Journal of Plasma and Fusion Research, January 2002, Vol. 78, No. 1, pp.5-18

従来の誘導性結合プラズマ装置やヘリコン波プラズマ装置などの高周波プラズマ装置においては、プラズマを大型化しようとする場合には、例えば、プラズマの軸方向のプラズマ密度分布を平坦・均一にするために、ヘリカルアンテナ部に印加する磁界と、プラズマ容器内の磁界をどのように印加したらよいか、最適な磁場配位が明らかになっていないという課題がある。   In high-frequency plasma devices such as conventional inductively coupled plasma devices and helicon wave plasma devices, when trying to increase the size of the plasma, for example, in order to make the plasma density distribution in the axial direction of the plasma flat and uniform, There is a problem that the optimum magnetic field configuration has not been clarified as to how to apply the magnetic field applied to the helical antenna unit and the magnetic field in the plasma container.

また、半導体装置や液晶表示装置の製造にＩＣＰやヘリコン波プラズマを応用する場合にはプラズマの高密度化と共に、基板が載置される面内での均一性が要求される。しかしながら、基板が載置されるプラズマ容器内の軸方向に対して垂直な面内（以下、径方向と呼ぶ）である径方向プラズマ密度分布は、その制御方法が明確になっていないという課題がある。   In addition, when ICP or helicon wave plasma is applied to the manufacture of a semiconductor device or a liquid crystal display device, the plasma density is increased and the uniformity within the surface on which the substrate is placed is required. However, there is a problem that the control method for the radial plasma density distribution in the plane perpendicular to the axial direction in the plasma vessel on which the substrate is placed (hereinafter referred to as the radial direction) is not clear. is there.

また、高周波プラズマを励起するスパイラルアンテナなどを大型化すると、アンテナインピーダンスの実部が非常に低抵抗であるのに対して、その虚部のインダクタンス分が大きくなるため、給電電圧が上昇することや、特に高い周波数領域でインピーダンス整合が取りにくくなるという課題がある。   In addition, when a spiral antenna or the like that excites high-frequency plasma is enlarged, the real part of the antenna impedance is very low resistance, whereas the inductance of the imaginary part increases, so that the supply voltage increases. In particular, there is a problem that impedance matching is difficult to obtain in a high frequency region.

このように、ＩＣＰやヘリコン波プラズマを用いた高周波プラズマ装置においては、プラズマの大型化や径方向のプラズマ密度分布を考慮した高周波プラズマ装置は知られていない。   As described above, in the high-frequency plasma apparatus using ICP or helicon wave plasma, there is no known high-frequency plasma apparatus taking into consideration the increase in the size of plasma and the plasma density distribution in the radial direction.

本発明は上記課題に鑑み、プラズマの大型化や径方向のプラズマ密度分布を制御できるタップ付きアンテナによる高周波プラズマ発生方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, and an object thereof is to provide a high frequency plasma generating method according to the tapped antenna capable of controlling the plasma density distribution in the size and radial direction of the plasma.

上記の目的を達成するため、本発明の高周波プラズマの発生方法は、高周波プラズマとなるガスが導入される反応室と、反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、反応室の端部に設けられるプラズマ発生用のタップ付きアンテナと、アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成る高周波プラズマ装置を用い、磁石を主磁石と副磁石とで構成し、副磁石を反応室の端部側に配置し、反応室内に形成される磁場を、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れかまたは該磁場の何れか二種以上の組み合わせとし、磁石により反応室の軸方向の磁束密度分布をその中心部において平坦にすると共に、高周波電力の周波数ｆを、タップ付きアンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、反応室の中央部に印加される磁場Ｂ２により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２とに対して、ｆ＜ｆ１／１０及びｆ２／１０とし、かつ、プラズマとなるガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも１０倍以上高い周波数とし、高周波プラズマとなるヘリコン波プラズマを発生し、反応室の軸方向のプラズマ密度分布を磁束密度分布が平坦となっている軸方向の中心部において平坦にすることを特徴とする。
本発明の高周波プラズマの発生方法は、さらに、反応室内に基板が載置されるステージと、から成るタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を用いて行ってもよい。
反応室の軸方向の磁束密度分布において、好ましくは、その両端部の磁場を中心部よりも低くする。
好ましくは、副磁石を電磁石とし、反応室の軸方向のプラズマ密度分布を、該電磁石の電流により変化させる。副磁石を電磁石とし、反応室の径方向のプラズマ密度分布を、電磁石の電流により変化させてもよい。
反応室の径方向のプラズマ密度分布を、好ましくは、タップ付きアンテナのタップ位置により変化させるるか、又は、タップ付きアンテナの給電電位により変化させる。プラズマ密度の最大値が、１×１０9 ｃｍ-3以上である。
反応室内に基板が載置されるステージが設けられている場合には、好ましくは、ステージにバイアス用高周波発振器を接続し、基板のバイアスを制御する。
この構成によれば、磁場が一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れかまたは組み合わせにより形成され、タップ付きアンテナによりプラズマ励起されて、大きな容積をもつヘリコン波からなる高周波プラズマを発生することができると共に、径方向分布のプラズマ密度分布を均一性よく制御できるヘリコン波プラズマを発生することができる。 また、高周波発振器の周波数を上記のように選定すれば、大きな容積をもつヘリコン波プラズマを発生することができると共に、径方向分布のプラズマ密度分布の均一性のよいヘリコン波プラズマを発生することができる。 In order to achieve the above object, the high frequency plasma generation method of the present invention includes a reaction chamber into which a gas that becomes high frequency plasma is introduced, a magnet that is provided outside the reaction chamber and applies a magnetic field, and an end of the reaction chamber A high-frequency plasma apparatus comprising a tapped antenna for generating plasma and a high-frequency oscillator for applying high-frequency power to the antenna, the magnet is composed of a main magnet and a sub-magnet, and the sub-magnet is the end of the reaction chamber The magnetic field formed in the reaction chamber is a uniform magnetic field, a divergent magnetic field, a converging magnetic field, a cusp magnetic field, or a combination of two or more of these magnetic fields, and a magnet is used in the axial direction of the reaction chamber. Is flattened at the center portion thereof, and the frequency f of the high-frequency power is changed to the electron cyclotron frequency f1 determined by the magnetic field in the vicinity of the tapped antenna and the center portion of the reaction chamber. Against the electron cyclotron frequency f2 determined by the magnetic field B2 to be applied, and f <f1 / 10 and f2 / 10, and the high frequency 10 times higher than the ion cyclotron frequency by gas component as a plasma, a high frequency plasma The helicon wave plasma is generated, and the plasma density distribution in the axial direction of the reaction chamber is flattened at the central portion in the axial direction where the magnetic flux density distribution is flat.
The high-frequency plasma generation method of the present invention may be performed using a high-frequency plasma apparatus having a tapped antenna including a stage on which a substrate is placed in a reaction chamber.
In the magnetic flux density distribution in the axial direction of the reaction chamber, preferably, the magnetic fields at both ends thereof are made lower than the central portion.
Preferably, the secondary magnet is an electromagnet, and the plasma density distribution in the axial direction of the reaction chamber is changed by the current of the electromagnet. The secondary magnet may be an electromagnet, and the plasma density distribution in the radial direction of the reaction chamber may be changed by the electric current of the electromagnet.
The plasma density distribution in the radial direction of the reaction chamber is preferably changed depending on the tap position of the tapped antenna, or is changed depending on the feeding potential of the tapped antenna. The maximum value of the plasma density is 1 × 10 9 cm −3 or more.
When a stage on which a substrate is placed is provided in the reaction chamber, preferably, a bias high-frequency oscillator is connected to the stage to control the substrate bias.
According to this configuration, the magnetic field is formed by any one or a combination of a uniform magnetic field, a divergent magnetic field, a converging magnetic field, and a cusp magnetic field, and plasma excitation is performed by a tapped antenna to generate a high-frequency plasma composed of a helicon wave having a large volume. It is possible to generate helicon wave plasma that can control the plasma density distribution in the radial direction with good uniformity. In addition, if the frequency of the high frequency oscillator is selected as described above, a helicon wave plasma having a large volume can be generated, and a helicon wave plasma having a uniform plasma density distribution in the radial direction can be generated. it can.

本発明によれば、タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置において外部から印加する磁場配位を制御し、かつタップ付きアンテナのタップを選定することにより、発生するヘリコン波からなる高周波プラズマの容積が大きく、径方向のプラズマ密度分布を制御できる優れた高周波プラズマの発生方法を提供することができる。
According to the present invention, in a high-frequency plasma apparatus having a tapped antenna, the volume of a high-frequency plasma composed of generated helicon waves is increased by controlling the magnetic field configuration applied from the outside and selecting the tap of the tapped antenna. It is possible to provide an excellent method of generating high-frequency plasma that can control the plasma density distribution in the radial direction.

以下、この発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明によるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０の第１の実施の形態の構成を模式的に示す図である。タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０は、所定の圧力の気体が導入されてプラズマを発生させる反応室１と、この反応管１の図１において左端の所定位置に配置された石英などの窓２と、反応室１の外部に配設される磁石３と、窓部に接して配設されるプラズマ発生用のタップ付きアンテナ４と、このタップ付きアンテナ４へ高周波電力を供給する高周波発振器５とから構成される。図中の１０は、発生したＩＣＰやヘリコン波プラズマによる高周波プラズマを示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a first embodiment of a high-frequency plasma apparatus 20 having a tapped antenna according to the present invention. A high-frequency plasma apparatus 20 having a tapped antenna includes a reaction chamber 1 in which a gas having a predetermined pressure is introduced to generate plasma, and a window 2 made of quartz or the like disposed at a predetermined position on the left end of the reaction tube 1 in FIG. A magnet 3 disposed outside the reaction chamber 1, a plasma generating tapped antenna 4 disposed in contact with the window, and a high frequency oscillator 5 for supplying high frequency power to the tapped antenna 4. Consists of Reference numeral 10 in the figure indicates high-frequency plasma generated by ICP or helicon wave plasma.

反応室１の左右端部には、それぞれ、放電用ガス導入装置７と真空排気装置８が設けられている。プラズマの放電用ガス導入装置７は、放電用ガスボンベ、ガス流量を調節するためのマスフローコントーラや、圧力測定のための圧力計などから構成されている。真空排気装置８は、開閉用のバルブ、油回転ポンプ、ターボ分子ポンプなどから構成される真空ポンプ、真空計などから構成され、放電用ガスを導入する前に反応室１を真空排気する。放電用ガスを導入した後の放電用ガスの導入圧力制御にも真空排気装置８を使用してよい。   Discharge gas introduction devices 7 and vacuum exhaust devices 8 are provided at the left and right ends of the reaction chamber 1, respectively. The plasma discharge gas introduction device 7 includes a discharge gas cylinder, a mass flow controller for adjusting a gas flow rate, a pressure gauge for pressure measurement, and the like. The vacuum evacuation device 8 is composed of a vacuum pump composed of a valve for opening and closing, an oil rotary pump, a turbo molecular pump, a vacuum gauge, etc., and evacuates the reaction chamber 1 before introducing the discharge gas. The vacuum evacuation device 8 may be used for controlling the introduction pressure of the discharge gas after introducing the discharge gas.

磁石３は、例えば電磁石や永久磁石からなっている。磁場を最適化するために、磁石３は、例えば主磁石３ａと副磁石３ｂとの複数の磁石から構成されることが好ましい。磁石が例えば電磁石の場合には、主磁石３ａと副磁石３ｂの巻線が同一方向として、反応室１の周囲を巻回する。電磁石３は直流電源により励磁され、後述する磁場分布（磁場配位）を反応室１に印加する。   The magnet 3 is made of, for example, an electromagnet or a permanent magnet. In order to optimize the magnetic field, the magnet 3 is preferably composed of a plurality of magnets, for example, a main magnet 3a and a sub magnet 3b. When the magnet is an electromagnet, for example, the windings of the main magnet 3a and the submagnet 3b are wound around the reaction chamber 1 in the same direction. The electromagnet 3 is excited by a DC power source and applies a magnetic field distribution (magnetic field configuration) described later to the reaction chamber 1.

タップ付きアンテナ４は、一例としてタップ付きスパイラルアンテナなどを用いることができる。以下、タップ付きスパイラルアンテナを例にとって説明する。
タップ付きスパイラルアンテナ４は、基本的に磁場に沿った端に配設する。即ち、アンテナ面に対して法線方向が磁力線（図１のＺ方向参照）と平行になるようにすればよい。タップ付きスパイラルアンテナ４は、図示するように反応室１の外に石英板などの窓２を介して置くか、反応室１の左端に置いてもよい。この場合には、タップ付きスパイラルアンテナの電界成分が生じないようにタップ付きスパイラルアンテナ４の周囲に絶縁物を設けるか、ファラディーシールドを設置するのが望ましい。このようなタップ付きスパイラルアンテナ４は、整合器６を介して高周波発振器５と接続されている。
ここで、タップ付きスパイラルアンテナ４は、平面状にスパイラル状に丸型や矩形型に巻けばよい。千鳥型や梯子型でもよい。タップ付きスパイラルアンテナの外径サイズは、プラズマサイズと印加磁場配位に応じて設計すればよい。タップ付きスパイラルアンテナ４は、例えば銅管などで作製される。図示しないがタップ付きスパイラルアンテナ４が銅管で構成されている場合には、管内部に冷却水を循環させて冷却することが好ましい。タップ付きスパイラルアンテナ４と兼用の冷却パイプに接続した絶縁体の冷却パイプは長くして、アンテナの高周波による高電圧の影響を給水点に与えないようにする必要がある。タップ付きスパイラルアンテナ４や整合器６内にこの絶縁体パイプを数周、例えば１０ｍ程度巻けばよい。 As an example of the tapped antenna 4, a tapped spiral antenna or the like can be used. Hereinafter, a tapped spiral antenna will be described as an example.
The tapped spiral antenna 4 is basically disposed at the end along the magnetic field. That is, the normal direction may be parallel to the magnetic field lines (see the Z direction in FIG. 1) with respect to the antenna surface. As shown in the figure, the tapped spiral antenna 4 may be placed outside the reaction chamber 1 through a window 2 such as a quartz plate, or may be placed at the left end of the reaction chamber 1. In this case, it is desirable to provide an insulator around the tapped spiral antenna 4 or install a Faraday shield so that the electric field component of the tapped spiral antenna does not occur. Such a tapped spiral antenna 4 is connected to a high-frequency oscillator 5 via a matching unit 6.
Here, the spiral antenna 4 with a tap may be wound in a round shape or a rectangular shape in a spiral shape on a plane. It may be a staggered or ladder type. The outer diameter size of the tapped spiral antenna may be designed according to the plasma size and the applied magnetic field configuration. The tapped spiral antenna 4 is made of, for example, a copper tube. Although not shown, when the spiral antenna 4 with a tap is composed of a copper pipe, it is preferable to cool the pipe by circulating a cooling water inside the pipe. It is necessary to lengthen the insulating cooling pipe connected to the tapping spiral antenna 4 and the cooling pipe that is also used as a tapping spiral antenna 4 so as not to affect the water supply point due to the high voltage due to the high frequency of the antenna. The insulator pipe may be wound around the spiral antenna 4 with a tap or the matching unit 6 several times, for example, about 10 m.

本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０を構成する磁石３，高周波発振器５，ガス導入装置７，真空排気装置８などは、制御装置９によりそれらの動作が制御されてもよい。制御装置９は、例えばパーソナルコンピュータにより構成され、反応室１に設けられる真空計、プラズマの各パラメータを検出する探針である、所謂ラングミュアプローブ、磁界センサなどからの信号が入力されて、上記構成要素を制御することができる。   The operation of the magnet 3, the high-frequency oscillator 5, the gas introduction device 7, the vacuum evacuation device 8, and the like constituting the high-frequency plasma device 20 having the tapped antenna of the present invention may be controlled by the control device 9. The control device 9 is composed of, for example, a personal computer, and receives signals from a vacuum gauge provided in the reaction chamber 1, a probe for detecting each parameter of plasma, a so-called Langmuir probe, a magnetic field sensor, and the like. You can control the element.

本発明の特徴は、高周波プラズマ装置において、容積の大きいプラズマを得るために、効率のよい磁場配位と径方向のプラズマ密度分布を制御できるようにタップ付きスパイラルアンテナを使用することにあり、以下詳しく説明する。
従来、効率のよい磁場配位は知られておらず、本発明者らが、高周波プラズマ装置における各種磁場配位とアンテナにつき種々検討し、プラズマの解析を行うことにより見出したものである。
図２は、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いる電磁石により反応室に生じる磁束密度分布の一例を示す図である。図２において、横軸が円筒形反応室の中心軸に於けるＺ軸方向の距離、縦軸が磁束密度を示している。図１に示すＸＹＺ座標において、横軸のＺ＝０が図１の反応室の左端のスパイラルアンテナの設置場所であり、Ｚ＝Ｌが反応室の右端部を示している。
本発明の高周波プラズマ装置における磁束密度分布は、Ｚ＝０からＺ＝Ｌ１まではＢ１からＢ２まで徐々に磁束密度が増加し、軸方向の中心部（Ｌ１〜Ｌ２）がほぼ平坦で値がＢ２の磁束密度を有し、Ｚ＝Ｌ２からＺ＝ＬまではＢ２からＢ３まで徐々に磁束密度が減少し、Ｚ＝ＬでＢ３の磁束密度である。 The feature of the present invention is to use a tapped spiral antenna so that an efficient magnetic field configuration and a radial plasma density distribution can be controlled in order to obtain a large volume plasma in a high-frequency plasma apparatus. explain in detail.
Conventionally, an efficient magnetic field configuration has not been known, and the present inventors have found various types of magnetic field configurations and antennas in a high-frequency plasma apparatus and analyzed the plasma.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a magnetic flux density distribution generated in the reaction chamber by the electromagnet used in the high-frequency plasma apparatus having the tapped antenna of the present invention. In FIG. 2, the horizontal axis represents the distance in the Z-axis direction in the central axis of the cylindrical reaction chamber, and the vertical axis represents the magnetic flux density. In the XYZ coordinates shown in FIG. 1, Z = 0 on the horizontal axis is the installation location of the spiral antenna at the left end of the reaction chamber in FIG. 1, and Z = L indicates the right end of the reaction chamber.
In the high frequency plasma apparatus of the present invention, the magnetic flux density distribution gradually increases from B1 to B2 from Z = 0 to Z = L1, the central portion (L1 to L2) in the axial direction is substantially flat, and the value is B2. The magnetic flux density gradually decreases from B2 to B3 from Z = L2 to Z = L, and the magnetic flux density of B3 when Z = L.

図２に示す磁束密度分布は、反応室１左端のタップ付きスパイラルアンテナ４から見ると、Ｚ＝０〜Ｚ＝Ｌ１までが発散磁場、Ｚ＝Ｌ１〜Ｚ＝Ｌ２までが一様磁場、Ｚ＝Ｌ２〜Ｚ＝Ｌまでが収束磁場の組み合わせともいえる。このような磁場は、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかにより形成することができる。また、この磁場は、例えば、スパイラルアンテナ４近傍を発散磁場又は収束磁場として、他の部分を一様磁場として形成してもよい。従って、磁場は、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れか二種以上の組み合わせから形成してもよい。   When viewed from the tapped spiral antenna 4 at the left end of the reaction chamber 1, the magnetic flux density distribution shown in FIG. 2 is a divergent magnetic field from Z = 0 to Z = L1, a uniform magnetic field from Z = L1 to Z = L2, and Z = It can be said that L2 to Z = L are combinations of convergent magnetic fields. Such a magnetic field can be formed by any one of a uniform magnetic field, a divergent magnetic field, a converging magnetic field, and a cusp magnetic field. Further, this magnetic field may be formed, for example, with the vicinity of the spiral antenna 4 as a diverging magnetic field or a converging magnetic field and the other part as a uniform magnetic field. Therefore, the magnetic field may be formed from a combination of two or more of a uniform magnetic field, a divergent magnetic field, a converging magnetic field, and a cusp magnetic field.

図３はＺ方向の磁場を模式的に説明する図であり、それぞれ、（ａ）一様磁場、（ｂ）発散磁場、（ｃ）収束磁場、（ｄ）カスプ磁場である。図示するように、一様磁場はＺ方向の磁場が同じである。発散磁場は、Ｚ方向の磁場が増大し、収束磁場はＺ方向の磁場が減少する。また、カスプ磁場は、発散磁場と収束磁場の組合わせであり、スパラルアンテナ４の近傍に極大値を有している磁場である。
磁石３が電磁石の場合、主電磁石３ａと副電磁石３ｂの巻線数、巻線間隔、通電する直流電流の大きさを変えるなどにより、所望の磁場配位が得られるようにできる。所望の磁場配位を得るには、永久磁石による主磁石３ａと副磁石３ｂの極性を変えた場合、または、主電磁石３ａと副電磁石３ｂの方向が同じ場合で印加する直流電流の向きを互いに反対方向にした場合に生じるカスプ磁界を利用してもよい。 FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a magnetic field in the Z direction, which is (a) a uniform magnetic field, (b) a divergent magnetic field, (c) a converging magnetic field, and (d) a cusp magnetic field, respectively. As shown, the uniform magnetic field is the same as the magnetic field in the Z direction. In the divergent magnetic field, the magnetic field in the Z direction increases, and in the convergent magnetic field, the magnetic field in the Z direction decreases. The cusp magnetic field is a combination of a divergent magnetic field and a converging magnetic field, and is a magnetic field having a maximum value in the vicinity of the spatial antenna 4.
When the magnet 3 is an electromagnet, a desired magnetic field configuration can be obtained by changing the number of windings of the main electromagnet 3a and the sub electromagnet 3b, the winding interval, and the magnitude of the direct current to be energized. In order to obtain a desired magnetic field configuration, the direction of the direct current applied to each other is changed when the polarities of the main magnet 3a and the submagnet 3b using permanent magnets are changed, or when the directions of the main electromagnet 3a and the subelectromagnet 3b are the same. A cusp magnetic field generated in the opposite direction may be used.

次に、磁場強度及び高周波発振器の周波数ｆの選定について説明する。
本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置における磁場の強度は、一例として、イオンサイクロトロン周波数より十分大きく、電子サイクロトロン周波数より十分小さい領域の高周波の周波数となるように選択する。すなわち、図２の磁場分布を例にすると、高周波電力の周波数ｆは、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、反応室１の中央部に印加される磁場Ｂ２により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２に対して、ｆをｆ１とｆ２よりも低くし（ｆ＜ｆ１，ｆ２）、かつ、プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも高くなるようにする。具体例としては、高周波発振器５の周波数はイオンサイクロトロン周波数の１０倍以上で、かつ、電子サイクロトロン周波数ｆ１及びｆ２よりも１／１０以下とすることが必要である。 Next, selection of the magnetic field strength and the frequency f of the high frequency oscillator will be described.
As an example, the strength of the magnetic field in the high-frequency plasma apparatus having the tapped antenna of the present invention is selected so as to be a high frequency in a region sufficiently larger than the ion cyclotron frequency and sufficiently smaller than the electron cyclotron frequency. That is, taking the magnetic field distribution of FIG. 2 as an example, the frequency f of the high-frequency power is determined by the electron cyclotron frequency f1 determined by the magnetic field in the vicinity of the tapped spiral antenna 4 and the electron determined by the magnetic field B2 applied to the central portion of the reaction chamber 1. For the cyclotron frequency f2, f is set lower than f1 and f2 (f <f1, f2), and higher than the ion cyclotron frequency due to the plasma gas component. As a specific example, the frequency of the high-frequency oscillator 5 needs to be 10 times or more the ion cyclotron frequency and 1/10 or less than the electron cyclotron frequencies f1 and f2.

一方、印加する磁束密度Ｂ（ガウス）と電子サイクロトロン周波数ｆc （ＭＨｚ）は、ｆc ＝２．８０×Ｂの関係がある。
一例として図２の磁場分布において、高周波発振器５の周波数ｆは、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍の磁場Ｂ１及び平坦部分の磁場Ｂ２で決まる電子サイクロトロン周波数よりも十分に低い値とすることにより、ＩＣＰやヘリコン波プラズマなどの高周波プラズマを効率よく励起することができる。
ここで、例えばＢ１を３０、６０ガウスとした場合のｆc は、それぞれ、８４ＭＨｚ、１６８ＭＨｚとなるので、効率良くプラズマを励起させるためには、高周波発振器のｆはこれらのｆc の約１／１０の値である１０ＭＨｚ以下とすることが望ましい。また、高周波発振器５の周波数ｆを例えば１０ＭＨｚとした場合には、スパイラルアンテナ近傍の磁場Ｂ１は、少なくとも電子サイクロトロン周波数が１００ＭＨｚ以上となる磁場を印加することが望ましいことになる。この際、平坦部のＢ２を１００，１５０，２００ガウスとした場合のｆc は、それぞれ、２８０ＭＨｚ，４２０ＭＨｚ，５６０ＭＨｚとなるので、上記の高周波発振器５のｆが、例えば約１０ＭＨｚでは、ｆ≪ｆc となり、ヘリコン波プラズマを効率よく励起することができる。 On the other hand, the applied magnetic flux density B (Gauss) and the electron cyclotron frequency f c (MHz) have a relationship of f c = 2.80 × B.
As an example, in the magnetic field distribution of FIG. 2, the frequency f of the high-frequency oscillator 5 is set to a value sufficiently lower than the electron cyclotron frequency determined by the magnetic field B1 in the vicinity of the tapped spiral antenna 4 and the magnetic field B2 of the flat portion. High frequency plasma such as helicon wave plasma can be excited efficiently.
Here, for example, when B1 is 30 and 60 gauss, f c is 84 MHz and 168 MHz, respectively. Therefore, in order to excite plasma efficiently, f of the high-frequency oscillator is about 1 / of these f c. The value of 10 is preferably 10 MHz or less. Further, when the frequency f of the high-frequency oscillator 5 is set to 10 MHz, for example, it is desirable to apply a magnetic field having an electron cyclotron frequency of 100 MHz or more to the magnetic field B1 near the spiral antenna. At this time, the f c in the case where the B2 of the flat portion and 100, 150, 200 gauss, respectively, 280 MHz, 420 MHz, since the 560 MHz, f of the high frequency oscillator 5, in the example about 10 MHz, F«f c , and the helicon wave plasma can be excited efficiently.

次に、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置において、容積の大きい高周波プラズマを得るためにタップ付きスパイラルアンテナのインダクタンスを減少させる方法について説明する。
図４はタップ付きスパイラルアンテナ４の形状を示す図である。図４（ａ）の平面図に示すように、４巻のタップ付きスパイラルアンテナ４の端部４ａと４ｂに整合回路を介して高周波発振器５を接続する。さらに、タップ付きスパイラルアンテナのタップ４ｃが半巻毎に設置されている。このタップ４ｃは、端子つきの薄い銅板などで構成することができる。このタップ４ｃは、固定位置に配置するほかに、摺動可能に取り付けることにより任意の巻数の位置に調整できる。 Next, a description will be given of a method for reducing the inductance of the tapped spiral antenna in order to obtain high volume high frequency plasma in the high frequency plasma apparatus having the tapped antenna of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the shape of the tapped spiral antenna 4. As shown in the plan view of FIG. 4A, the high frequency oscillator 5 is connected to the ends 4a and 4b of the four-turn spiral antenna 4 with a tap through a matching circuit. Furthermore, the tap 4c of the spiral antenna with a tap is installed for every half turn. The tap 4c can be made of a thin copper plate with a terminal. The tap 4c can be adjusted to an arbitrary number of turns by being slidably mounted in addition to being arranged at a fixed position.

このように、タップ付きスパイラルアンテナ４においては、任意の位置で給電が可能となる。例えばフルターンや内側のみ、外側のみ、中間のみ、外側と内側を結線して給電することができる。また、それらをシリーズまたはパラレルに結線することが可能である。これにより、プラズマとのカップリング、インダクタンス、径方向密度分布が制御できるので、タップ付きアンテナ４から反応室１のガスへ高周波電力を効率よく励起できる。   Thus, the tapped spiral antenna 4 can supply power at an arbitrary position. For example, power can be supplied by connecting the full turn, only the inside, only the outside, only the middle, or the outside and the inside. They can also be connected in series or parallel. Thereby, since coupling with plasma, inductance, and radial density distribution can be controlled, high-frequency power can be efficiently excited from the tapped antenna 4 to the gas in the reaction chamber 1.

この際、タップ付きスパイラルアンテナ４のインピーダンスは、実数部は低抵抗であるのに対して、虚数部はタップ付きスパイラルアンテナ４の巻線によるインダクタンス成分となり高周波発振器５の周波数をｆとしたときに２πｆＬの大きさを有する。タップ付きスパイラルアンテナ４のインピーダンスはインダクタンス成分が小さいほど、後述する高周波発振器とのインピーダンス整合が容易となるが、上記のように反応室１の直径を大きくするとタップ付きスパイラルアンテナ４のインダクタンスが大きくなり、プラズマへ十分な高周波電力を供給できなくなる。   At this time, the impedance of the tapped spiral antenna 4 has a low resistance in the real part, whereas the imaginary part becomes an inductance component due to the winding of the tapped spiral antenna 4 and the frequency of the high frequency oscillator 5 is f. It has a size of 2πfL. As the impedance component of the tapped spiral antenna 4 is smaller, impedance matching with a high-frequency oscillator described later becomes easier. However, if the diameter of the reaction chamber 1 is increased as described above, the inductance of the tapped spiral antenna 4 increases. As a result, sufficient high frequency power cannot be supplied to the plasma.

図１に示すように、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いるタップ付きスパイラルアンテナは、円筒状の反応室１の左端部の窓２の部分に結合している。高周波プラズマの容積を大きくするには、反応室の軸方向を長くする場合と、円筒の断面を大きくする場合がある。円筒の断面を大きくする場合には、ある程度円筒の直径に応じてタップ付きスパイラルアンテナ４を大きくしないと、ＩＣＰやヘリコン波プラズマを効率よく発生させることができない。
図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、タップ付きスパイラルアンテナ４のインダクタンスを低減させるためのタップ付きスパイラルアンテナ４の巻線の構成を示す断面図であり、（ｂ）は２本の銅管１２を１つの巻線とし、（ｃ）は扁平な銅管１３を１つの巻線とすることで、インダクタンスの低減化を行う例を示している。さらに、タップ付きスパイラルアンテナ４のインダクタンス成分の影響を低減する方法として、高周波発振器の周波数ｆを低減化すればよい。 As shown in FIG. 1, the tapped spiral antenna used in the high-frequency plasma apparatus having the tapped antenna of the present invention is coupled to the window 2 at the left end of the cylindrical reaction chamber 1. In order to increase the volume of the high-frequency plasma, there are a case where the axial direction of the reaction chamber is lengthened and a case where the cross section of the cylinder is enlarged. When the cross section of the cylinder is enlarged, ICP and helicon wave plasma cannot be generated efficiently unless the tapped spiral antenna 4 is enlarged to some extent according to the diameter of the cylinder.
4 (b) and 4 (c) are cross-sectional views showing the configuration of the winding of the tapped spiral antenna 4 for reducing the inductance of the tapped spiral antenna 4, and FIG. 4 (b) shows two copper wires. (C) shows an example in which the inductance is reduced by using the tube 12 as one winding and the flat copper tube 13 as one winding. Further, as a method of reducing the influence of the inductance component of the tapped spiral antenna 4, the frequency f of the high frequency oscillator may be reduced.

次に、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置における、タップ付きスパイラルアンテナと高周波発振器の整合について説明する。
市販の高周波発振器のインピーダンスは通常５０Ωや７５Ωであるので、タップ付きスパイラルアンテナを高周波発振器に直接接続するとインピーダンス不整合となるから、このアンテナと高周波発振器との間に整合回路６を挿入してインピーダンス整合をとる必要がある。ここで、タップ付きスパイラルアンテナの場合のインピーダンスの実部は低いので、基本的には、ローインピーダンスから５０Ωのハイインピーダンスへ変換する整合回路を使用し、Ｌを打ち消してインピーダンス変換できる回路が好ましい。 Next, the matching between the tapped spiral antenna and the high frequency oscillator in the high frequency plasma apparatus having the tapped antenna of the present invention will be described.
Since the impedance of a commercially available high-frequency oscillator is usually 50Ω or 75Ω, if a spiral antenna with a tap is directly connected to the high-frequency oscillator, impedance mismatch occurs. Therefore, a matching circuit 6 is inserted between the antenna and the high-frequency oscillator to insert the impedance. It is necessary to be consistent. Here, since the real part of the impedance in the case of the tapped spiral antenna is low, basically, a circuit that uses a matching circuit for converting from low impedance to high impedance of 50Ω and cancels L to convert impedance is preferable.

図５は、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いるスパイラルアンテナ用の整合回路の一例を示す図であり、図５（ａ）はスプリットタンク回路、図５（ｂ）はπマッチ回路である。図において、高周波発振器５の出力インピーダンスをＺ0 、タップ付きスパイラルアンテナ４をＲとＬの直列回路で示している。図５（ａ）のスプリットタンク回路は２つの可変容量コンデンサＣ１、Ｃ２（１４，１５）からなり、図５（ｂ）のπマッチ回路は２つの可変容量コンデンサＣ３、Ｃ４（１６，１７）とインダクタンスＬｐ１８と、から構成されている。
ここで、図５（ａ）のスプリットタンク回路の整合条件は、高周波発振器の角周波数をωとした場合には、Ｃ１、Ｃ２は、下記の（１）式及び（２）式で与えられる。
Ｃ１＝１／Ｚ0 ＊１／ω＊（（Ｚ0 ／Ｒ）−１）0.5 （１）
Ｃ２＝１／ω＊１／（−（Ｒ＊（Ｚ0 −Ｒ））0.5 ＋ωＬ） （２）
さらに、必要に応じて高圧側と低圧側にシリーズに高周波発振器５の周波数ｆにおいて十分に容量性インピーダンスの低い直流阻止用コンデンサを接続して、直流カットを行ってもよい。これにより、タップ付きアンテナ４から反応室１のガスへ高周波電力をさらに効率よく励起できる。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a matching circuit for a spiral antenna used in a high-frequency plasma apparatus having a tapped antenna according to the present invention, FIG. 5 (a) is a split tank circuit, and FIG. 5 (b) is a π match circuit. It is. In the figure, the output impedance of the high-frequency oscillator 5 is Z 0 , and the tapped spiral antenna 4 is shown as a series circuit of R and L. The split tank circuit shown in FIG. 5A includes two variable capacitors C1 and C2 (14, 15), and the π match circuit shown in FIG. 5B includes two variable capacitors C3 and C4 (16, 17). And an inductance Lp18.
Here, as for the matching condition of the split tank circuit of FIG. 5A, when the angular frequency of the high frequency oscillator is ω, C1 and C2 are given by the following equations (1) and (2).
C1 = 1 / Z 0 * 1 / ω * ((Z 0 / R) −1) 0.5 (1)
C2 = 1 / ω * 1 / (− (R * (Z 0 −R)) 0.5 + ωL) (2)
Further, if necessary, a DC blocking capacitor having a sufficiently low capacitive impedance at the frequency f of the high-frequency oscillator 5 may be connected in series to the high-voltage side and the low-voltage side to perform DC cut. Thereby, the high frequency power can be more efficiently excited from the tapped antenna 4 to the gas in the reaction chamber 1.

次に、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０によるプラズマ放電をさせる手順について説明する。
反応室１を真空排気装置８で所定の圧力となるまで真空排気した後に、図２で示したような磁場を印加するために磁石３に所定の電流を印加する。磁石３が永久磁石の場合にはこの操作は不要である。次に、高周波プラズマを発生させるために所定の圧力のガスをガス導入装置７より反応室１へ導入し、一定の圧力となるように真空排気装置８と共に制御する。そして、タップ付きスパイラルアンテナ４に整合器６を介して高周波発振器５から高周波電力を供給することにより、ＩＣＰやヘリコン波プラズマによる高周波プラズマ１０を発生できる。
ここで、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップ位置を変えて巻数、即ち有効なアンテナ長を変えることにより、生成するプラズマの径方向のプラズマ密度分布を可変とすることができる。さらに、高周波発振器５の出力電力が低い場合にはＩＣＰを容易に発生でき、また、高周波発振器５の出力電力が高い場合にはヘリコン波プラズマを発生できる。ＩＣＰからヘリコン波プラズマへは、高周波発振器５の出力電力の増加だけで移行できる場合もある。 Next, the procedure for causing plasma discharge by the high-frequency plasma apparatus 20 having the tapped antenna of the present invention will be described.
After the reaction chamber 1 is evacuated to a predetermined pressure by the evacuation device 8, a predetermined current is applied to the magnet 3 in order to apply a magnetic field as shown in FIG. This operation is not necessary when the magnet 3 is a permanent magnet. Next, in order to generate a high-frequency plasma, a gas having a predetermined pressure is introduced into the reaction chamber 1 from the gas introduction device 7 and is controlled together with the vacuum exhaust device 8 so as to have a constant pressure. Then, by supplying high frequency power from the high frequency oscillator 5 to the tapped spiral antenna 4 via the matching unit 6, the high frequency plasma 10 by ICP or helicon wave plasma can be generated.
Here, by changing the tap position of the tapped spiral antenna 4 and changing the number of turns, that is, the effective antenna length, the plasma density distribution in the radial direction of the generated plasma can be made variable. Further, ICP can be easily generated when the output power of the high-frequency oscillator 5 is low, and helicon wave plasma can be generated when the output power of the high-frequency oscillator 5 is high. In some cases, the transition from ICP to helicon wave plasma can be achieved only by increasing the output power of the high-frequency oscillator 5.

この際、導入ガス圧力及びその流量は、必要とする高周波プラズマプロセスに応じて選べばよい。ガス圧力が高くなり、電子衝突周波数（イオンと中性粒子) が高周波発振器５の励起周波数ｆより大きくなると、ヘリコン波プラズマから磁場存在下の誘導性結合型プラズマへ次第に移行する。また、ガス圧力が低い場合には、電子の中性粒子との衝突周波数が小さくなってプラズマの生成が困難となる。アルゴンガスを用いたときは、典型的な圧力として、０．１ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒ程度においてヘリコン波プラズマを発生させることができる。また、高周波発振器５の出力電力は、必要なプラズマ密度に応じて印加すればよく、この出力電力と共にプラズマ密度は上昇する。
このように、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置では、例えば円筒形の反応室１の長軸方向の磁場配位を、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍の磁場をゼロとしないで、高周波発振器５の周波数ｆの１０倍程度大きい電子サイクロトロン周波数となる磁場とし、さらに、軸方向中心部の最大磁場における電子サイクロトロン周波数が高周波発振器５の周波数ｆの３０倍から数十倍と十分に高くすればよい。
この構成によれば、反応管１の外部に設けた磁石３にて発生させた磁場配位により、大きな容積の高周波プラズマを効率よく発生させることができる。また、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップ位置を変えることにより径方向のプラズマ密度分布を可変にすることができる。 At this time, the introduced gas pressure and its flow rate may be selected according to the required high-frequency plasma process. When the gas pressure increases and the electron collision frequency (ions and neutral particles) becomes higher than the excitation frequency f of the high-frequency oscillator 5, the helicon wave plasma gradually shifts to an inductively coupled plasma in the presence of a magnetic field. In addition, when the gas pressure is low, the collision frequency with the neutral particles of electrons becomes small, making it difficult to generate plasma. When argon gas is used, helicon wave plasma can be generated at a typical pressure of about 0.1 mTorr to 100 mTorr. The output power of the high-frequency oscillator 5 may be applied according to the required plasma density, and the plasma density increases with this output power.
Thus, in the high-frequency plasma apparatus having the tapped antenna of the present invention, for example, the magnetic field configuration in the long axis direction of the cylindrical reaction chamber 1 is set so that the magnetic field in the vicinity of the tapped spiral antenna 4 is not zero. If the electron cyclotron frequency is 10 times as large as the frequency f of 5 and the electron cyclotron frequency in the maximum magnetic field at the axial center is sufficiently high, 30 times to several tens of times the frequency f of the high-frequency oscillator 5. Good.
According to this configuration, a large volume of high-frequency plasma can be efficiently generated by the magnetic field configuration generated by the magnet 3 provided outside the reaction tube 1. Moreover, the plasma density distribution in the radial direction can be made variable by changing the tap position of the spiral antenna 4 with a tap.

次に、本発明の第２の実施形態のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を説明する。
図６は、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３０の第２の実施の形態の構成を模式的に示す図である。高周波プラズマ装置３０は、比較的大きな直径を有するＳｉ基板や液晶のガラス基板などの基板２１に、プラズマエッチングやプラズマ堆積を行う高周波プラズマ装置である。図示するように、基板２１は、ステージ２２に載置されるように、図１の高周波プラズマ装置２０を９０°回転した構成としている。他の構成は図１と同じであるので、説明は省略する。
ステージ２２は例えば、円板形状のステンレスを用いることができる。ステージ２２のスパッタリングなどによる基板２１の汚染防止のためには、ステージ２２を石英板などで被覆するとよい。また、必要に応じて、ステージ２２は、基板２１の過熱防止のために冷却してもよい。ここで、ステージ２２は、例えば反応室１の外部で接地しているので、タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３０により高周波プラズマを発生させた場合には、基板２１は、プラズマ中のイオンによる、所謂浮遊電位効果により直流電圧が発生する。 Next, a high-frequency plasma apparatus having a tapped antenna according to the second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of the second embodiment of the high-frequency plasma apparatus 30 having the tapped antenna of the present invention. The high-frequency plasma apparatus 30 is a high-frequency plasma apparatus that performs plasma etching or plasma deposition on a substrate 21 such as a Si substrate or a liquid crystal glass substrate having a relatively large diameter. As shown in the figure, the substrate 21 is configured by rotating the high-frequency plasma apparatus 20 of FIG. Other configurations are the same as those in FIG.
The stage 22 can be made of, for example, disc-shaped stainless steel. In order to prevent contamination of the substrate 21 by sputtering of the stage 22, the stage 22 may be covered with a quartz plate or the like. If necessary, the stage 22 may be cooled to prevent the substrate 21 from being overheated. Here, since the stage 22 is grounded, for example, outside the reaction chamber 1, when high-frequency plasma is generated by the high-frequency plasma apparatus 30 having a tapped antenna, the substrate 21 is caused by ions in the plasma. A DC voltage is generated by the so-called floating potential effect.

図７は本発明の第２の実施の形態の変形例を模式的に示す図である。タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３５は、基板２１のバイアス電圧を制御できる高周波プラズマ装置である。図示するようにタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３５のステージ２２は高周波バイアス用発振器２３を介して接地されている以外は図６と同じ構成である。
ここで、高周波バイアス用発振器２３の周波数は、高周波発振器５により発生する高周波プラズマ１０に対して影響がないような周波数に設定し、その出力電力を適宜に調整することで、基板２１の載置されているステージ２２の電位を浮遊電位ではなく、任意のバイアス電位に制御できる。例えば、高周波バイアス用発振器２３の周波数は、高周波発振器５の周波数の１／１０から１／１００程度の周波数とすればよい。これにより、高周波プラズマ装置３０，３５において、基板の電位を浮遊バイアス電位または任意のバイアス電位となるように制御することにより、プラズマプロセスを高精度で処理できるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を実現できる。 FIG. 7 is a diagram schematically showing a modification of the second embodiment of the present invention. The high-frequency plasma apparatus 35 having a tapped antenna is a high-frequency plasma apparatus that can control the bias voltage of the substrate 21. As shown in the figure, the stage 22 of the high-frequency plasma apparatus 35 having a tapped antenna has the same configuration as that shown in FIG. 6 except that it is grounded via a high-frequency bias oscillator 23.
Here, the frequency of the high-frequency bias oscillator 23 is set to a frequency that does not affect the high-frequency plasma 10 generated by the high-frequency oscillator 5, and the output power is appropriately adjusted, whereby the placement of the substrate 21. The potential of the stage 22 can be controlled to an arbitrary bias potential instead of the floating potential. For example, the frequency of the high frequency bias oscillator 23 may be about 1/10 to 1/100 of the frequency of the high frequency oscillator 5. As a result, in the high-frequency plasma apparatuses 30 and 35, the high-frequency plasma apparatus having a tapped antenna capable of processing the plasma process with high accuracy is realized by controlling the substrate potential to be a floating bias potential or an arbitrary bias potential. it can.

次に、本発明の第３の実施の形態のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を説明する。
図８は、本発明の第３の実施の形態の構成を模式的に示す図である。タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置４０は、高周波プラズマ放電が低圧力で電離しにくい場合に、電子発生部２５を備えることにより予備電離を行い、高周波プラズマを効率よく生起させることができる。予備電離のための電子発生部２５は、反応室１の左端のアンテナに対向しない反応室１の壁寄りに設けられており、Ｗ（タングステン）などの電子発生用ヒータ２６と、引き出し電極２７と、ヒータ加熱用電源２８と、電子引き出し用電源２９から構成されている。電子発生部２５は、高周波プラズマの起動時以外は、反応室１の所定の場所に設ける予備室１Ａに退避できる構造となっている。プラズマに用いるガスに腐食性ガスが含まれている場合には、このような予備室１Ａを設けることが望ましい。他の構成は図１と同じであるので、説明は省略する。 Next, a high frequency plasma apparatus having a tapped antenna according to a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of the third exemplary embodiment of the present invention. The high-frequency plasma apparatus 40 having a tapped antenna can perform preionization by providing the electron generator 25 when high-frequency plasma discharge is difficult to ionize at low pressure, and can efficiently generate high-frequency plasma. The electron generator 25 for preliminary ionization is provided near the wall of the reaction chamber 1 that does not face the antenna at the left end of the reaction chamber 1. The electron generation heater 26 such as W (tungsten), a lead electrode 27, The heater heating power source 28 and the electronic drawing power source 29 are configured. The electron generator 25 has a structure that can be retracted to a preliminary chamber 1A provided at a predetermined location in the reaction chamber 1 except when the high-frequency plasma is activated. When a gas used for plasma contains a corrosive gas, it is desirable to provide such a spare chamber 1A. Other configurations are the same as those in FIG.

ここで、本発明の第１の実施の形態で説明したタップ付きアンテナを有する高周波プラズマの発生方法において、反応室１の所定のプラズマガスを導入した後で、電子発生部２５から電子を発生させ、次に高周波発振器５から高周波電力を印加することにより、低圧力のガス中で容易にＩＣＰやヘリコン波プラズマなどの高周波プラズマを発生させることができる。この際、一度高周波プラズマが発生したら、電子発生部分２５を停止しても、高周波プラズマの放電は持続する。この電子発生部２５は、本発明の第１の実施の形態で説明したタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０だけでなく、本発明の第２の実施の形態で説明したタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３０、３５にも適用できる。
この構成の電子発生手段を備えることにより、低圧力において、大きな容積と径方向分布のプラズマ密度分布の均一性のよいＩＣＰやヘリコン波の高周波プラズマを容易に発生できる、タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を実現できる。 Here, in the method for generating a high-frequency plasma having a tapped antenna described in the first embodiment of the present invention, electrons are generated from the electron generator 25 after introducing a predetermined plasma gas in the reaction chamber 1. Then, by applying high frequency power from the high frequency oscillator 5, high frequency plasma such as ICP or helicon wave plasma can be easily generated in a low pressure gas. At this time, once the high-frequency plasma is generated, the discharge of the high-frequency plasma continues even if the electron generation portion 25 is stopped. The electron generator 25 is not only the high-frequency plasma apparatus 20 having the tapped antenna described in the first embodiment of the present invention, but also the high frequency having the tapped antenna described in the second embodiment of the present invention. The present invention can also be applied to the plasma devices 30 and 35.
By providing the electron generating means of this configuration, high-frequency plasma having a tapped antenna that can easily generate ICP or helicon wave high-frequency plasma with a high uniformity of plasma density distribution of large volume and radial distribution at low pressure. A device can be realized.

次に、上述した本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置の実施例１を示す。
タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置は図１に示した構成であり、円筒状の反応室１は、外径が７５ｃｍ、軸方向長さが４８６ｃｍであり、容積は約２ｍ3 である。磁石３は電磁石を用いた。窓２は石英ガラスである。タップ付きアンテナ４としては、スパイラルアンテナの外径が２３ｃｍで、６巻のものを使用し、タップはスパイラルアンテナの両端とした。整合回路６はスプリットタンク回路を用いた。高周波発振器５は周波数７ＭＨｚで最大出力が１ｋＷである。ここで、高周波電力の給電は、スパイラルアンテナ４の外側端部４ｂを高電位側、内側端部４ａを低電位側になるように設定した（図４（ａ）参照）。なお、反応室１内に設けた磁場センサ、ラングミュアプローブ、窓部などにより、磁場やプラズマ密度、励起高周波（７ＭＨｚ）の磁場の空間計測、プラズマ発光などの測定を行った。 Next, Example 1 of the high-frequency plasma apparatus having the above-described tapped antenna of the present invention will be described.
The high-frequency plasma apparatus having a tapped antenna has the configuration shown in FIG. 1, and the cylindrical reaction chamber 1 has an outer diameter of 75 cm, an axial length of 486 cm, and a volume of about 2 m 3 . As the magnet 3, an electromagnet was used. The window 2 is made of quartz glass. As the tapped antenna 4, a spiral antenna having an outer diameter of 23 cm and 6 volumes was used, and the taps were both ends of the spiral antenna. The matching circuit 6 used a split tank circuit. The high frequency oscillator 5 has a frequency of 7 MHz and a maximum output of 1 kW. Here, the feeding of the high-frequency power was set so that the outer end 4b of the spiral antenna 4 was on the high potential side and the inner end 4a was on the low potential side (see FIG. 4A). In addition, the magnetic field sensor provided in the reaction chamber 1, a Langmuir probe, a window part, etc. measured the magnetic field, the plasma density, the spatial measurement of the magnetic field of excitation high frequency (7 MHz), the plasma emission, etc.

図９は実施例１の磁石３により形成される反応室１内の磁束密度分布を示す図である。主磁石３ａの電流が５０Ａのときに、副磁石３ｂの電流が、それぞれ（ａ）は０Ａ、（ｂ）は１０Ａ、（ｃ）は２０Ａの場合を示している。図において、横軸は反応室の軸方向長さ（ｍ）を示し、タップ付きスパイラルアンテナ４の位置が０である。縦軸は磁束密度（ガウス）である。
図９（ａ）に示すように、主電磁石３ａが５０Ａ、副電磁石３ｂが０Ａのときに形成される磁束密度分布は、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍（Ｚ＝０）が１０ガウス程度であり、中央付近の平坦部で約１４０ガウス、反応室１の他端において数ガウスとなっている。
主電磁石３ａが５０Ａ、副電磁石３ｂが１０Ａのときに形成される磁束密度分布は、図９（ｂ）に示すように、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍が３０ガウス以外は、副磁石３ｂに電流を流さないときとほぼ同様に、中央付近の平坦部で約１４０ガウス、反応室の他端において数ガウスとなっている。
主電磁石３ａが５０Ａ、副電磁石３ｂが２０Ａのときに形成される磁束密度分布は、図９（ｃ）に示すように、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍が５０ガウス以外は、図９（ａ）や図９（ｂ）と同様な磁束密度分布である。 FIG. 9 is a diagram showing a magnetic flux density distribution in the reaction chamber 1 formed by the magnet 3 of the first embodiment. When the current of the main magnet 3a is 50A, the current of the submagnet 3b is 0A, (b) is 10A, and (c) is 20A, respectively. In the figure, the horizontal axis indicates the axial length (m) of the reaction chamber, and the position of the tapped spiral antenna 4 is zero. The vertical axis represents the magnetic flux density (Gauss).
As shown in FIG. 9A, the magnetic flux density distribution formed when the main electromagnet 3a is 50A and the sub electromagnet 3b is 0A is about 10 Gauss near the tapped spiral antenna 4 (Z = 0), It is about 140 gauss at the flat part near the center and several gausses at the other end of the reaction chamber 1.
The magnetic flux density distribution formed when the main electromagnet 3a is 50A and the subelectromagnet 3b is 10A, as shown in FIG. 9 (b), the current is supplied to the submagnet 3b except for the case where the vicinity of the tapped spiral antenna 4 is 30 gauss. Almost the same as when not flowing, the flat portion near the center is about 140 gauss, and the other end of the reaction chamber is several gauss.
The magnetic flux density distribution formed when the main electromagnet 3a is 50A and the sub electromagnet 3b is 20A, as shown in FIG. 9C, except that the vicinity of the spiral antenna 4 with a tap is 50 gauss, The magnetic flux density distribution is the same as in FIG.

次に、反応室１にＡｒガスを２ｍＴｏｒｒの圧力で満たしたときの高周波プラズマの発生について説明する。
図１０〜図１３は、実施例１の高周波発振器の出力電力と得られたプラズマ密度との関係を示す図である。図において、横軸は高周波発振器の出力電力である高周波電力（Ｗ）、縦軸はプラズマ密度（ｃｍ-3）である。主電磁石３ａの電流を５０Ａと一定にし、副電磁石の電流値を変化させている。副磁石３ｂの電流は、それぞれ図１０が印加しない０Ａ、図１１が５Ａ、図１２が１０Ａ、図１３が１５Ａである。また、図中の●（黒丸）はＺ＝３７ｃｍ、▲（黒三角）はＺ＝１５０ｃｍ、■（黒四角）はＺ＝３７０ｃｍの位置のプラズマ密度を示している。
いずれの場合も、高周波発振器の出力電力の増加と共に、プラズマ密度が向上する、所謂ジャンプ現象が観測されている。
図１０に示すように、副磁石３ｂの電流が０Ａの場合には、高周波発振器５の出力電力が約７０Ｗ以上ではプラズマ密度のジャンプが生起し、約６００Ｗでプラズマ密度が１×１０12ｃｍ-3となっていることが分かる。 Next, generation of high-frequency plasma when the reaction chamber 1 is filled with Ar gas at a pressure of 2 mTorr will be described.
10 to 13 are diagrams showing the relationship between the output power of the high-frequency oscillator of Example 1 and the obtained plasma density. In the figure, the horizontal axis represents the high frequency power (W) that is the output power of the high frequency oscillator, and the vertical axis represents the plasma density (cm −3 ). The current of the main electromagnet 3a is kept constant at 50A, and the current value of the sub electromagnet is changed. The current of the submagnet 3b is 0A, FIG. 11 is 5A, FIG. 12 is 10A, and FIG. In the figure, ● (black circle) indicates the plasma density at Z = 37 cm, ▲ (black triangle) indicates Z = 150 cm, and ■ (black square) indicates the plasma density at Z = 370 cm.
In either case, a so-called jump phenomenon has been observed in which the plasma density is improved as the output power of the high-frequency oscillator is increased.
As shown in FIG. 10, when the current of the secondary magnet 3b is 0 A, the plasma density jump occurs when the output power of the high-frequency oscillator 5 is about 70 W or more, and the plasma density is about 1 × 10 12 cm − at about 600 W. It turns out that it is 3 .

図１１に示すように、副磁石３ｂの電流が５Ａの場合には、高周波発振器５の出力電力が約１７０Ｗ以上ではプラズマ密度が急増し、約２２０Ｗで１×１０12ｃｍ-3を越えるプラズマ密度が得られた。このとき反応室１の中央付近のＺ＝１５０ｃｍでプラズマ密度が最大となっているが、Ｚ＝３７ｃｍとＺ＝３７０ｃｍでほぼ同程度の値が得られ、密度が非常に均一な高周波プラズマ１０が得られた。 As shown in FIG. 11, when the current of the secondary magnet 3b is 5A, the plasma density increases rapidly when the output power of the high-frequency oscillator 5 is about 170 W or more, and the plasma density exceeds 1 × 10 12 cm −3 at about 220 W. was gotten. At this time, the plasma density is maximum at Z = 150 cm in the vicinity of the center of the reaction chamber 1, but almost the same value is obtained at Z = 37 cm and Z = 370 cm, and the high-frequency plasma 10 having a very uniform density is obtained. Obtained.

また、図１２に示すように、副磁石３ｂの電流が１０Ａの場合には、高周波発振器５の出力電力が約２２０Ｗ以上でプラズマ密度が急増し、約３００Ｗで２×１０12ｃｍ-3を越えるプラズマ密度が得られた。このときＺ方向のプラズマ密度分布は、電流が５Ａの場合と同様であった。 As shown in FIG. 12, when the current of the secondary magnet 3b is 10 A, the plasma density increases rapidly when the output power of the high-frequency oscillator 5 is about 220 W or more, and exceeds 2 × 10 12 cm −3 at about 300 W. Plasma density was obtained. At this time, the plasma density distribution in the Z direction was the same as when the current was 5A.

さらに、図１３に示すように、副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合には、高周波発振器５の出力電力が約３００Ｗ以上ではプラズマ密度が急増し、約３９０Ｗで２×１０12ｃｍ-3以上のプラズマ密度が得られた。
ここで、プラズマ密度分布と励起高周波（７ＭＨｚ）の磁場の空間計測などの測定により、ジャンプ現象が観測される出力電力以下のプラズマはＩＣＰ、ジャンプ現象が観測される出力電力以上のプラズマはヘリコン波による高周波プラズマと推定できた。さらに、ジャンプ現象が生起する前においては、高周波電力に対してプラズマ密度が連続的に変化した。また、ジャンプ現象が生起した後も、高周波電力の増加と共に高いプラズマ密度が得られる。そして、この場合には高周波電力の増加に対するプラズマ密度の変化が大きくなるので、所望のプラズマ密度を得るためには高周波電力の正確な制御が必要であることが分かる。なお、ジャンプの前後の状態は、プラズマ密度分布と、励起高周波の磁場の空間計測、反応室に設けたプラズマ観察用窓からのプラズマ発光強度の観測などの測定により容易に判別することができる。 Furthermore, as shown in FIG. 13, when the current of the secondary magnet 3b is 15A, the plasma density increases rapidly when the output power of the high-frequency oscillator 5 is about 300 W or more, and is about 2 × 10 12 cm −3 or more at about 390 W. Plasma density was obtained.
Here, the plasma density distribution and the excitation high frequency (7 MHz) magnetic field spatial measurement, etc., the plasma below the output power at which the jump phenomenon is observed is ICP, the plasma above the output power at which the jump phenomenon is observed is the helicon wave. It was estimated that the high-frequency plasma. Furthermore, before the jump phenomenon occurred, the plasma density continuously changed with respect to the high frequency power. Moreover, even after the jump phenomenon occurs, a high plasma density can be obtained as the high frequency power increases. In this case, since the change in the plasma density with an increase in the high-frequency power becomes large, it can be seen that accurate control of the high-frequency power is necessary to obtain a desired plasma density. The state before and after the jump can be easily determined by measuring the plasma density distribution, the spatial measurement of the excitation high frequency magnetic field, and the observation of the plasma emission intensity from the plasma observation window provided in the reaction chamber.

図１４は、図１０〜図１３に示した副磁石３ｂの電流に対するプラズマ密度とジャンプ現象が生起するときの高周波電力の関係を示す図である。図において、横軸は副磁石３ｂの電流（Ａ）を示し、縦軸はプラズマ密度（ｃｍ-3）とジャンプ現象が生起するときの高周波電力（Ｗ）である。主電磁石３ａの電流は５０Ａと一定である。また、図中の○（白丸）と●（黒丸）はＺ＝３７ｃｍ、△（白三角）と▲（黒三角）はＺ＝１５０ｃｍ、□（白四角）と■（黒四角）はＺ＝３７０ｃｍの位置における、ジャンプ現象の生起前後のプラズマ密度及びジャンプが生起するときの高周波電力を示している。
図から明らかなように、ジャンプ現象が生起するときのしきい値高周波電力は、副磁石電流の増加と共に増加した。また、ジャンプ現象が生起する前と生起した後のプラズマ密度も副磁石電流の増加と共に増加することが分かる。 FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the plasma density with respect to the current of the submagnet 3b shown in FIGS. 10 to 13 and the high-frequency power when the jump phenomenon occurs. In the figure, the horizontal axis indicates the current (A) of the secondary magnet 3b, and the vertical axis indicates the plasma density (cm −3 ) and the high frequency power (W) when the jump phenomenon occurs. The current of the main electromagnet 3a is constant at 50A. In the figure, ○ (white circle) and ● (black circle) are Z = 37 cm, Δ (white triangle) and ▲ (black triangle) are Z = 150 cm, □ (white square) and ■ (black square) are Z = 370 cm. 2 shows the plasma density before and after the occurrence of the jump phenomenon and the high-frequency power when the jump occurs.
As is clear from the figure, the threshold high-frequency power when the jump phenomenon occurs increased with the increase of the secondary magnet current. It can also be seen that the plasma density before and after the jump phenomenon increases as the secondary magnet current increases.

図１５は、図１３におけるＺ軸の中心軸に沿う方向のプラズマ密度分布を示すものである。図において、横軸はＺ軸方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（１×１０12ｃｍ-3）を示している。ここで、副磁石電流は１５Ａであり、高周波発振器５の出力電力は３９０Ｗ、また、Ｚ＝０がスパイラルアンテナ４の位置である。図１５に示すように、スパイラルアンテナ４から反応室の内部に向かってプラズマ密度が増加し、ほぼＺ＝５０ｃｍ以上では一定となっていることが分かる。なお、図示しないが、反応室の他端もほぼ同様の傾向を示している。Ｚ軸方向のプラズマ密度の測定によれば、Ｚ軸方向の中心部のプラズマ密度分布は、反応室１の全長４８６ｃｍの内、約３５０ｃｍ程度は平坦なプラズマ密度分布となった。 FIG. 15 shows the plasma density distribution in the direction along the central axis of the Z axis in FIG. In the figure, the horizontal axis indicates the distance in the Z-axis direction (cm), and the vertical axis indicates the plasma density (1 × 10 12 cm −3 ). Here, the secondary magnet current is 15 A, the output power of the high-frequency oscillator 5 is 390 W, and Z = 0 is the position of the spiral antenna 4. As shown in FIG. 15, it can be seen that the plasma density increases from the spiral antenna 4 toward the inside of the reaction chamber, and is constant at approximately Z = 50 cm or more. Although not shown, the other end of the reaction chamber shows a similar tendency. According to the measurement of the plasma density in the Z-axis direction, the plasma density distribution in the central part in the Z-axis direction was a flat plasma density distribution of about 350 cm out of the total length 486 cm of the reaction chamber 1.

図１６は、図１０〜図１３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。プラズマ密度分布はＺ＝１５０ｃｍでの測定値であり、図１６において、横軸は径方向距離（ｃｍ）を、縦軸はプラズマ密度の最大値で規格化した規格化プラズマ密度を示している。また、副磁石３ｂの電流は、図中の■（黒四角）が０Ａ、●（黒丸）が５Ａ、＊が１０Ａ、▲（黒三角）が１５Ａの場合を示している。
副磁石３ｂに電流を流さない場合は、高周波電力が４２Ｗで４．４×１０10ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、その時のプラズマ密度の径方向の半値幅は約２２ｃｍである。一方、副磁石電流が５Ａ〜１５Ａのときの高周波発振器５の出力電力は６９Ｗ〜１６８Ｗで、プラズマ密度の最大値が５．９〜９．９×１０10ｃｍ-3であった。このときのプラズマ密度分布の半値幅としては、約３４ｃｍ〜２９ｃｍ程度が得られた。これから、副磁石電流を０から増加させるにしたがい、径方向のプラズマ密度分布が変化することが分かる。 FIG. 16 is a diagram showing the plasma density distribution in the radial direction in FIGS. The plasma density distribution is a measured value at Z = 150 cm. In FIG. 16, the horizontal axis indicates the radial distance (cm), and the vertical axis indicates the normalized plasma density normalized by the maximum value of the plasma density. Further, the current of the submagnet 3b is shown in the case where the black square in the figure is 0A, the black circle is 5A, the * is 10A, and the black triangle is 15A.
When no current is passed through the secondary magnet 3b, a plasma density of 4.4 × 10 10 cm −3 is obtained at a high frequency power of 42 W, and the half width in the radial direction of the plasma density at that time is about 22 cm. On the other hand, when the submagnet current was 5 A to 15 A, the output power of the high frequency oscillator 5 was 69 W to 168 W, and the maximum value of the plasma density was 5.9 to 9.9 × 10 10 cm −3 . At this time, the half width of the plasma density distribution was about 34 cm to 29 cm. From this it can be seen that the plasma density distribution in the radial direction changes as the secondary magnet current is increased from zero.

タップ付きスパイラルアンテナ４のタップは６巻の内、それぞれ、外周側３巻のタップと、内周側３巻のタップを用いた以外は、上記実施例１と同じ高周波プラズマ装置を用いた。ここで、スパイラルアンテナ４への給電は、その外側端部４ｂを高電位側、内側端部４ａを低電位側とした（図４（ａ）参照）。
図１７及び図１８は、それぞれ、実施例２の外周側３巻と内周側３巻のタップ付きスパイラルアンテナを使用したときの高周波発振器の出力電力と得られたプラズマ密度の関係を示す図である。図において、横軸は高周波発振器の出力電力（Ｗ）で、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）である。主電磁石３ａ及び副電磁石３ｂの電流はそれぞれ５０Ａと１５Ａである。Ａｒガス圧力は、０．５ｍＴｏｒｒと２ｍＴｏｒｒである。また、図中の△（白三角）はＺ＝４０ｃｍ、○（白丸）はＺ＝１５０ｃｍ、□（白四角）はＺ＝３２０ｃｍの位置のプラズマ密度を示している。
外周側３巻にタップを設けたタップ付きスパイラルアンテナ４を使用した場合には、図１７に示すように、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒで、高周波電力が１０Ｗ程度から高周波プラズマが発生していることが分かる。副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合には、約１８０Ｗでジャンプが生じている。また、高周波電力が２００Ｗ程度で、２×１０11ｃｍ-3程度のプラズマ密度が得られる。実施例１と同様に、副磁石３ｂの電流を増していくと、プラズマ密度分布が増加し、かつ、ＩＣＰからヘリコン波プラズマに変化するジャンプする高周波電力も増加することが分かる。また、Ａｒガス圧力が０．５ｍＴｏｒｒと低い場合には、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒと比較してプラズマ密度が低いことが分かる。 The same high-frequency plasma apparatus as in Example 1 was used except that the tap of the spiral antenna 4 with taps was 6 taps and 3 taps on the outer peripheral side and 3 taps on the inner peripheral side were used. Here, the power supply to the spiral antenna 4 is such that the outer end 4b is on the high potential side and the inner end 4a is on the low potential side (see FIG. 4A).
17 and 18 are diagrams showing the relationship between the output power of the high-frequency oscillator and the obtained plasma density when using the spiral antenna with three taps on the outer peripheral side and the inner peripheral side in Example 2, respectively. is there. In the figure, the horizontal axis represents the output power (W) of the high-frequency oscillator, and the vertical axis represents the plasma density (× 10 12 cm −3 ). The currents of the main electromagnet 3a and the sub electromagnet 3b are 50A and 15A, respectively. Ar gas pressures are 0.5 mTorr and 2 mTorr. In the figure, Δ (white triangle) indicates the plasma density at Z = 40 cm, ○ (white circle) indicates Z = 150 cm, and □ (white square) indicates the plasma density at Z = 320 cm.
When the tapped spiral antenna 4 provided with taps on the outer peripheral side 3 turns is used, as shown in FIG. 17, high-frequency plasma is generated from Ar gas pressure of 2 mTorr and high-frequency power of about 10 W. I understand. When the current of the secondary magnet 3b is 15A, a jump occurs at about 180W. Further, a plasma density of about 2 × 10 11 cm −3 can be obtained at a high frequency power of about 200 W. It can be seen that, as in the first embodiment, when the current of the secondary magnet 3b is increased, the plasma density distribution increases and the jumping high-frequency power that changes from ICP to helicon wave plasma also increases. It can also be seen that when the Ar gas pressure is as low as 0.5 mTorr, the plasma density is lower than when the Ar gas pressure is 2 mTorr.

また、内周側３巻にタップを設けたタップ付きスパイラルアンテナ４を使用した図１８の場合も、図１７と同様に、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒで、高周波電力が１０Ｗ程度から高周波プラズマが発生していることが分かる。副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合には、約２００Ｗでジャンプが生じている。また、高周波電力が３００Ｗ程度で、４×１０11ｃｍ-3程度のプラズマ密度が得られる。実施例１と同様に、副磁石３ｂの電流を増していくと、プラズマ密度分布が増加し、かつ、ＩＣＰからヘリコン波プラズマに変化するジャンプする高周波電力も増加する。また、Ａｒガス圧力が０．５ｍＴｏｒｒと低い場合には、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒと比較してプラズマ密度が低いことと、副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合には８００ＷまではＩＣＰからヘリコン波プラズマに変化するジャンプが生起しないことが分かる。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップを外周側３巻のタップと、内周側３巻のタップにより高周波プラズマを発生させた場合に、発生するプラズマ密度やジャンプする高周波電力が変化することが分かる。 Also, in the case of FIG. 18 using the tapped spiral antenna 4 provided with taps on the inner volume 3 windings, high frequency plasma is generated from Ar gas pressure of 2 mTorr and high frequency power of about 10 W as in FIG. I understand that When the current of the secondary magnet 3b is 15A, a jump occurs at about 200W. Moreover, a plasma density of about 4 × 10 11 cm −3 can be obtained at a high frequency power of about 300 W. As in the first embodiment, when the current of the secondary magnet 3b is increased, the plasma density distribution is increased and the jumping high-frequency power changing from ICP to helicon wave plasma is also increased. Further, when the Ar gas pressure is as low as 0.5 mTorr, the plasma density is low as compared with 2 mTorr, and when the current of the secondary magnet 3 b is 15 A, the ICP to the helicon wave plasma up to 800 W. It turns out that the jump which changes to does not occur. From this, it is understood that when the high frequency plasma is generated by the tap of the spiral antenna 4 with the tap on the outer peripheral side and the inner peripheral side of the three turns, the generated plasma density and the jumping high frequency power change. .

図１９及び図２０は、図１７及び図１８における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）である。プラズマ密度分布はＺ＝１５０ｃｍでの測定値であり、また、Ａｒガス圧力は、それぞれ図中の○（白丸）が２ｍＴｏｒｒ、▲（黒三角）が０．５ｍＴｏｒｒの場合を示している。
図１９に示すように、外周側３巻にタップを設けたタップ付きスパイラルアンテナ４を使用し、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒで副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合において、高周波電力を１７９Ｗから１９３Ｗと変化させると、プラズマ密度が約８×１０10ｃｍ-3から３．１×１０11ｃｍ-3と増加し、かつ、プラズマプラズマ密度分布が変化することが分かる。このときのプラズマ密度分布の半値幅としては、高周波電力を１７９Ｗから１９３Ｗとした場合に、それぞれ、約３４ｃｍ及び２９ｃｍ程度が得られ、径方向のプラズマ密度分布が変化している。また、径方向のプラズマ密度分布は、Ａｒガス圧力の低い０．５ｍＴｏｒｒの場合と、ほぼ同様であった。 19 and 20 are diagrams showing the plasma density distribution in the radial direction in FIGS. 17 and 18. In the figure, the horizontal axis represents the radial distance (cm), and the vertical axis represents the plasma density (× 10 12 cm −3 ). The plasma density distribution is a measured value at Z = 150 cm, and the Ar gas pressure indicates a case where ◯ (white circle) in the figure is 2 mTorr and ▲ (black triangle) is 0.5 mTorr, respectively.
As shown in FIG. 19, when a spiral antenna 4 with a tap provided on the outer peripheral side 3 turns is used, when the Ar gas pressure is 2 mTorr and the current of the secondary magnet 3b is 15 A, the high frequency power is changed from 179 W to 193 W. As a result, the plasma density increases from about 8 × 10 10 cm −3 to 3.1 × 10 11 cm −3 and the plasma plasma density distribution changes. As the half width of the plasma density distribution at this time, when the high frequency power is changed from 179 W to 193 W, about 34 cm and 29 cm are obtained, respectively, and the plasma density distribution in the radial direction changes. The plasma density distribution in the radial direction was almost the same as that at 0.5 mTorr where the Ar gas pressure was low.

図２０に示すように、内周側３巻にタップを設けたタップ付きスパイラルアンテナ４を使用し、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒで副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合において、高周波電力を８７Ｗから２３２Ｗと変化させると、プラズマ密度が約８×１０10ｃｍ-3から４×１０11ｃｍ-3と増加し、かつ、プラズマ密度分布が変化することが分かる。このときのプラズマ密度分布の半値幅としては、高周波電力を８７Ｗから２３２Ｗとした場合に、それぞれ、約３４ｃｍ〜２４ｃｍと変化し、径方向のプラズマ密度分布が変化し、かつ、そのプラズマ密度分布がスパイラルアンテナのタップにより制御できる。また、径方向のプラズマ密度分布は、Ａｒガス圧力の低い０．５ｍＴｏｒｒの場合が、均一性の範囲が広いことが分かる。
以上のように、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップを外周側３巻と、内周側３巻とのタップを用いて高周波プラズマを発生させた場合に、発生するプラズマ密度や径方向のプラズマ密度分布が変化することが分かる。 As shown in FIG. 20, when a tapped spiral antenna 4 provided with a tap on the inner peripheral side 3 turns is used, the Ar gas pressure is 2 mTorr, and the current of the secondary magnet 3b is 15 A, the high frequency power is changed from 87 W to 232 W. When it is changed, it can be seen that the plasma density increases from about 8 × 10 10 cm −3 to 4 × 10 11 cm −3 and the plasma density distribution changes. The half-value width of the plasma density distribution at this time is about 34 cm to 24 cm when the high frequency power is changed from 87 W to 232 W, the plasma density distribution in the radial direction is changed, and the plasma density distribution is It can be controlled by tapping the spiral antenna. Further, it can be seen that the plasma density distribution in the radial direction has a wide range of uniformity when the Ar gas pressure is low at 0.5 mTorr.
As described above, when high-frequency plasma is generated using the tap of the spiral antenna 4 with a tap on the outer peripheral side and the inner peripheral side, the plasma density generated and the plasma density distribution in the radial direction are generated. Can be seen to change.

アンテナ４としてタップ付きスパイラルアンテナの外径が４３ｃｍで、４巻を用いた以外は実施例１と同じ高周波プラズマ装置を用いた。ここで、スパイラルアンテナ４への給電は、その外側端部４ｂを高電位側、内側端部４ａを低電位側になるようにした（図４（ａ）参照）。
図２１は実施例３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（ｃｍ-3）を示している。主磁石３ａの電流は５０Ａであり、副磁石３ｂの電流は、図中の○（白丸）が０Ａ、●（黒丸）が１６Ａの場合を示している。また、Ａｒガス圧力は０．５ｍＴｏｒｒである。副磁石３ｂに電流を流さない場合には、高周波電力が５２０Ｗで、１．７×１０12ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約１６ｃｍである。一方、副磁石電流が１６Ａの場合には、高周波電力が５６１Ｗで、８．５×１０11ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約３８ｃｍである。
このように、副磁石電流が１６Ａの場合にプラズマ密度分布の半値幅が広くなるのは、ヘリコン波プラズマにおいてはＡｒガス圧力が低い程、またＩＣＰプラズマの状態において顕著である。これから、副磁石電流を０から増加させ、スパイラルアンテナ４近傍の磁場を増加させることにより、径方向のプラズマ密度分布が改善され、均一な領域が拡大することが分かる。これは、副磁石３ｂの電流増加により、スパイラルアンテナ４近傍の磁場が収束分布の収束度が弱くなり、一様分布に近くなることに起因している。 The same high-frequency plasma apparatus as in Example 1 was used except that the outer diameter of a spiral antenna with a tap as the antenna 4 was 43 cm and four turns were used. Here, the power supply to the spiral antenna 4 is such that the outer end 4b is on the high potential side and the inner end 4a is on the low potential side (see FIG. 4A).
FIG. 21 is a diagram showing the plasma density distribution in the radial direction in Example 3. FIG. In the figure, the horizontal axis represents the radial distance (cm) centered on 0 and the vertical axis represents the plasma density (cm −3 ). The current of the main magnet 3a is 50A, and the current of the sub-magnet 3b is shown when the circle (white circle) in the figure is 0A and the circle (black circle) is 16A. The Ar gas pressure is 0.5 mTorr. When no current is passed through the secondary magnet 3b, a high-frequency power is 520 W, a plasma density of 1.7 × 10 12 cm −3 is obtained, and the half-value width of the plasma density distribution is about 16 cm. On the other hand, when the sub-magnet current is 16 A, the high frequency power is 561 W, the plasma density of 8.5 × 10 11 cm −3 is obtained, and the half width of the plasma density distribution is about 38 cm.
As described above, when the sub-magnet current is 16 A, the half width of the plasma density distribution becomes wider in the helicon wave plasma as the Ar gas pressure is lower and in the ICP plasma state. From this, it can be seen that the plasma density distribution in the radial direction is improved and the uniform region is expanded by increasing the sub-magnet current from 0 and increasing the magnetic field in the vicinity of the spiral antenna 4. This is because the convergence of the convergence distribution of the magnetic field in the vicinity of the spiral antenna 4 becomes weak and becomes close to a uniform distribution due to the increase in the current of the secondary magnet 3b.

実施例４として、実施例３と同様に外径が４３ｃｍで４巻タップ付きスパイラルアンテナ４を用い、それぞれ、外周側２巻のタップと、内周側２巻のタップを用いた以外は、上記実施例１と同じ高周波プラズマ装置を用いた。ここで、外周側２巻のタップの場合のスパイラルアンテナ４への給電は、その外側端部４ｂを高電位側、内側２巻目のタップ４ｃを低電位側になるよう設定した（図４（ａ）参照）。また内周側２巻のタップの場合のスパイラルアンテナ４への給電は、内周側端部４ａから２巻目のタップ４ｃを高電位側、内側端部４ａを低電位側とした（図４（ａ）参照）。
図２２は、実施例４における径方向のヘリコン波による高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。主磁石３ａの電流は５０Ａであり、副磁石３ｂの電流は１６Ａである。図中の□（白四角）がタップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合であり、△（白三角）がその外周側２巻のタップを使用した場合であり、●（黒丸）は比較のために示した４巻スパイラルアンテナの場合である。主磁石３ａの電流は５０Ａで、副磁石３ｂの電流は１６Ａである。また、Ａｒガス圧力は０．５ｍＴｏｒｒであり、測定点はＺ＝１５０ｃｍである。
タップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合には、高周波電力が３７４Ｗで、最大２．１×１０11ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約３３ｃｍであった。一方、タップ付きスパイラルアンテナ４の外周側２巻のタップを使用した場合には、高周波電力が３８７Ｗで、最大３．３×１０11ｃｍ-3の平坦部を有するホロー状のプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約４１ｃｍである。また、タップ付きスパイラルアンテナ４が４巻の場合には、高周波電力が５５５Ｗで、６×１０11ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約４１ｃｍであった。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップ位置を変えることにり、径方向のヘリコン波プラズマ密度が変化することが分かる。 As Example 4, the outer diameter is 43 cm as in Example 3, and the spiral antenna 4 with 4 turns is used, except that the outer circumference side 2 turns tap and the inner circumference side 2 turns tap are used, respectively. The same high-frequency plasma apparatus as in Example 1 was used. Here, the power supply to the spiral antenna 4 in the case of the outer peripheral side two-turn tap is set so that the outer end 4b is on the high potential side and the inner second turn tap 4c is on the low potential side (FIG. 4 ( a)). In addition, in the case of a tap of 2 turns on the inner peripheral side, the spiral antenna 4 is fed with the tap 4c of the second turn from the inner peripheral end 4a on the high potential side and the inner end 4a on the low potential side (FIG. 4). (See (a)).
FIG. 22 is a diagram showing a high-frequency plasma density distribution by radial helicon waves in Example 4. In the figure, the horizontal axis indicates the radial distance (cm) with 0 as the axis center, and the vertical axis indicates the plasma density (× 10 12 cm −3 ). The current of the main magnet 3a is 50A, and the current of the sub magnet 3b is 16A. In the figure, □ (white square) is the case of using the tap on the inner peripheral side of the spiral antenna 4 with tapping, and △ (white triangle) is the case of using the tap on the outer peripheral side of 2 turns. (Black circle) is the case of the 4-turn spiral antenna shown for comparison. The current of the main magnet 3a is 50A, and the current of the sub magnet 3b is 16A. The Ar gas pressure is 0.5 mTorr, and the measurement point is Z = 150 cm.
When two taps on the inner circumferential side of the tapped spiral antenna 4 are used, a plasma density distribution having a maximum of 2.1 × 10 11 cm −3 is obtained at a high frequency power of 374 W, and the plasma density distribution is obtained. The half width of was about 33 cm. On the other hand, when two taps on the outer peripheral side of the tapped spiral antenna 4 are used, a high-frequency power is 387 W, and a hollow plasma density distribution having a flat portion of a maximum of 3.3 × 10 11 cm −3 is obtained. The half width of the plasma density distribution is about 41 cm. In addition, when the tapped spiral antenna 4 has four turns, the plasma density having a peak of 6 × 10 11 cm −3 was obtained at a high frequency power of 555 W, and the half-value width of the plasma density distribution was about 41 cm. . From this, it can be seen that the helicon wave plasma density in the radial direction changes by changing the tap position of the tapped spiral antenna 4.

図２３は実施例４における径方向のＩＣＰ高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。図中の□（白四角）がタップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合であり、△（白三角）がその外周側２巻のタップを使用した場合である。また、主磁石３ａ及び副磁石３ｂの電流、Ａｒガス圧力及び測定点は図２２と同一条件である。
タップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合には、高周波電力が２０９Ｗで、最大プラズマ密度が約７×１０10ｃｍ-3のほぼ平坦なピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約４５ｃｍであった。一方、タップ付きスパイラルアンテナ４の外周側２巻のタップを使用した場合には、高周波電力が１９５Ｗで、最大プラズマ密度３．５×１０10ｃｍ-3の平坦部の中央が少し窪んだ形状のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約５０ｃｍである。これにより、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップの位置や、その給電電位を変えることで径方向のヘリコン波プラズマ密度及びその半値幅が変化することが分かる。 FIG. 23 is a diagram showing a radial ICP high-frequency plasma density distribution in Example 4. In the figure, the horizontal axis indicates the radial distance (cm) with 0 as the axis center, and the vertical axis indicates the plasma density (× 10 12 cm −3 ). In the figure, □ (white square) is a case where a tap of 2 turns on the inner circumference side of the spiral antenna 4 with a tap is used, and Δ (white triangle) is a case where a tap of 2 turns on the outer circumference side is used. The current, Ar gas pressure, and measurement points of the main magnet 3a and the sub magnet 3b are the same as those in FIG.
When two taps on the inner peripheral side of the tapped spiral antenna 4 are used, a plasma density distribution having a substantially flat peak with a high-frequency power of 209 W and a maximum plasma density of about 7 × 10 10 cm −3 is obtained. The half width of the plasma density distribution was about 45 cm. On the other hand, when two taps on the outer peripheral side of the spiral antenna 4 with a tap are used, the center of the flat part with a high frequency power of 195 W and a maximum plasma density of 3.5 × 10 10 cm −3 is slightly depressed. A plasma density is obtained, and the half width of the plasma density distribution is about 50 cm. Thereby, it turns out that the radial helicon wave plasma density and its half value width change by changing the position of the tap of the spiral antenna 4 with a tap and its feeding potential.

図２４は、タップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合に給電を逆にしたときの径方向のヘリコン波による高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）を、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。図中の□（白四角）が図２２とは逆に、タップ付きスパイラルアンテナ４の最内周の端部４ａを高電位に給電した場合であり、△（白三角）が端部４ａを低電位とし外側のタップを高電位とした図２２のデータであり併せて示している。また、主磁石３ａ及び副磁石３ｂの電流、Ａｒガス圧力及び測定点は図２２と同一条件である。給電を逆にし内側を高電位に給電した場合には、高周波電力が４３７Ｗで、最大５．５×１０11ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約３４ｃｍであり、若干高周波電力が高いものの最大プラズマ密度が増加し、かつ、プラズマ密度分布の半値幅は殆ど同じであることが分かる。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップの位置や、その給電電位を変えることで径方向のヘリコン波プラズマ密度が変化することが分かる。 FIG. 24 is a diagram showing a high-frequency plasma density distribution by a helicon wave in the radial direction when power feeding is reversed when a tap of two turns on the inner peripheral side of the spiral antenna 4 with tap is used. In the figure, the horizontal axis represents the radial distance (cm) centered on 0 and the vertical axis represents the plasma density (× 10 12 cm −3 ). In the figure, □ (white square) is the case where the innermost end 4a of the spiral antenna 4 with a tap is fed with a high potential, and Δ (white triangle) is low on the end 4a. The data of FIG. 22 in which the potential and the outer tap are set to a high potential are also shown. The current, Ar gas pressure, and measurement points of the main magnet 3a and the sub magnet 3b are the same as those in FIG. When the power supply is reversed and the inside is supplied with a high potential, a high-frequency power is 437 W, and a plasma density distribution having a maximum peak of 5.5 × 10 11 cm −3 is obtained. It can be seen that the maximum plasma density is increased although the high frequency power is slightly high, and the half width of the plasma density distribution is almost the same. From this, it can be seen that the helicon wave plasma density in the radial direction changes by changing the tap position of the tapped spiral antenna 4 and its feeding potential.

図２５は、図２３のタップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合に、給電を逆にしたときの径方向のＩＣＰ高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）を、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。図中の■（黒四角）が図２３とは逆に、タップ付きスパイラルアンテナ４の最内周の端部４ａを高電位に給電した場合であり、□（白四角）が端部４ａを低電位とし外側のタップ４ｃを高電位とした図２３のデータである。また、主磁石３ａ及び副磁石３ｂの電流、Ａｒガス圧力、及び測定点は図２２と同一条件である。給電を逆にし内側を高電位に給電した場合には、高周波電力が１９７Ｗで、最大５×１０10ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約４０ｃｍであり、最大プラズマ密度及びプラズマ密度分布の半値幅が低化することが分かる。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４の内側を高電位とした場合には、ピークを有するプラズマ密度分布となり、外側内側を高電位とした場合には比較的平坦なプラズマ密度が得られることが分かる。これにより、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップの位置やその給電電位を変えることで、径方向のＩＣＰプラズマ密度及びその半値幅が変化することが分かる。 FIG. 25 is a diagram showing the ICP high-frequency plasma density distribution in the radial direction when the feed is reversed when the tap on the inner circumferential side of the spiral antenna 4 with a tap of FIG. 23 is used. In the figure, the horizontal axis represents the radial distance (cm) centered on 0 and the vertical axis represents the plasma density (× 10 12 cm −3 ). 23 (black square) in the figure is a case where the innermost end 4a of the tapped spiral antenna 4 is fed with a high potential, and □ (white square) is lower than the end 4a. It is the data of FIG. 23 which made the outer tap 4c a high electric potential. Further, the current of the main magnet 3a and the sub magnet 3b, the Ar gas pressure, and the measurement points are the same as those in FIG. When the power supply is reversed and the inner side is supplied with a high potential, a high-frequency power is 197 W, a plasma density distribution having a peak of 5 × 10 10 cm -3 at the maximum is obtained, and the half width of the plasma density distribution is about 40 cm. It can be seen that the maximum plasma density and the half width of the plasma density distribution are reduced. From this, it can be seen that when the inside of the tapped spiral antenna 4 is set at a high potential, a plasma density distribution having a peak is obtained, and when the outside inside is set at a high potential, a relatively flat plasma density is obtained. Thus, it can be seen that the ICP plasma density in the radial direction and its half-value width change by changing the tap position of the spiral antenna 4 with a tap and its feeding potential.

次に、ＩＣＰ高周波プラズマよりも低い高周波電力で生起するプラズマであるＩＣＰとＣＣＰ（誘電結合的放電）混在のプラズマ放電について説明する。
図２６は、タップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合に給電を逆にしたときの径方向のＩＣＰとＣＣＰ混在の高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。図中の■（黒四角）がタップ付きスパイラルアンテナ４の最内周の一端４ａを高電位に給電した場合であり、□（白四角）が端部４ａを低電位とし外側のタップ４ｃを高電位とした場合である。高周波電力は１２Ｗである。また、主磁石３ａ及び副磁石３ｂの電流、Ａｒガス圧力、及び測定点は図２２と同一条件である。
内側を高電位に給電した場合には、最大１．３×１０10ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約４３ｃｍである。一方、外側を高電位に給電した場合には、最大２×１０10ｃｍ-3のほぼ平坦なピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約５０ｃｍである。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４の内側を高電位とした場合には、ピークを有するプラズマ密度分布となり、外側を高電位とした場合には比較的平坦なプラズマ密度が得られることが分かる。これにより、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップの位置や、その給電電位を変えることで、径方向のＩＣＰとＣＣＰ混在の高周波プラズマ密度及びその半値幅が変化することが分かる。
上記実施例においては、磁場分布を主電磁石３ａと副磁石電流３ｂにより変化させたが、所望の磁場分布を１つの電磁石により実現してもよい。 Next, plasma discharge in which ICP and CCP (inductively coupled discharge) are mixed, which is plasma generated with high-frequency power lower than that of ICP high-frequency plasma, will be described.
FIG. 26 is a diagram illustrating a high-frequency plasma density distribution of a mixture of ICP and CCP in the radial direction when power feeding is reversed when a tap with two turns on the inner peripheral side of the tapped spiral antenna 4 is used. In the figure, the horizontal axis indicates the radial distance (cm) with 0 as the axis center, and the vertical axis indicates the plasma density (× 10 12 cm −3 ). In the figure, ■ (black square) is the case where the innermost end 4a of the spiral antenna 4 with a tap is fed to a high potential, and □ (white square) is the end 4a at a low potential and the outer tap 4c is at a high potential. This is the case of potential. The high frequency power is 12W. Further, the current of the main magnet 3a and the sub magnet 3b, the Ar gas pressure, and the measurement points are the same as those in FIG.
When the inside is supplied with a high potential, a plasma density distribution having a maximum peak of 1.3 × 10 10 cm −3 is obtained, and the half-value width of the plasma density distribution is about 43 cm. On the other hand, when the outside is supplied with a high potential, a plasma density distribution having a substantially flat peak of 2 × 10 10 cm -3 at the maximum is obtained, and the half width of the plasma density distribution is about 50 cm. From this, it can be seen that when the inside of the tapped spiral antenna 4 is set at a high potential, a plasma density distribution having a peak is obtained, and when the outside is set at a high potential, a relatively flat plasma density is obtained. Thus, it can be seen that by changing the tap position of the spiral antenna 4 with a tap and its feeding potential, the high-frequency plasma density mixed with ICP and CCP in the radial direction and its half-value width change.
In the above embodiment, the magnetic field distribution is changed by the main electromagnet 3a and the sub magnet current 3b. However, a desired magnetic field distribution may be realized by one electromagnet.

実施例１〜実施例４で説明したように、磁場分布、高周波電力、タップ付きスパイラルアンテナの形状、そのタップ、給電電位の与え方などを変えることにより、種々のプラズマ密度分布を有する高周波プラズマが得られた。
これらの実施例から、プラズマ密度分布は、高周波電力の増加に従い増加することが分かる。また、ＩＣＰからヘリコン波プラズマになると推定できる所謂ジヤンプ現象が生起する高周波電力は、副磁石３ｂの電流を変える、即ち、磁場分布と、タップ付きスパイラルアンテナの構造と、プラズマ励起用の高周波発振器の電力などにより変化することが分かる。
本発明のタップ付きアンテナを用いた高周波プラズマ装置において、例えば図８に示すような磁場配位を使用することにより、２ｍ3 という大きな容積の高周波プラズマが、１×１０12ｃｍ-3のプラズマ密度で約３００Ｗの低電力で得られた。また、スパイラルアンテナ４近傍の磁場強度を増すにつれてプラズマ密度が増加し、かつ、径方向のプラズマ密度分布の半値幅が広くなるように制御できることが分かる。 As described in the first to fourth embodiments, the high-frequency plasma having various plasma density distributions can be obtained by changing the magnetic field distribution, the high-frequency power, the shape of the tapped spiral antenna, the tap, and the way of supplying the feeding potential. Obtained.
From these examples, it can be seen that the plasma density distribution increases with increasing high frequency power. Further, the high-frequency power at which a so-called jump phenomenon that can be estimated to be helicon wave plasma from ICP changes the current of the secondary magnet 3b, that is, the magnetic field distribution, the structure of the tapped spiral antenna, and the high-frequency oscillator for plasma excitation. It turns out that it changes with electric power.
In the high-frequency plasma apparatus using the tapped antenna of the present invention, for example, by using a magnetic field configuration as shown in FIG. 8, a high-frequency plasma having a large volume of 2 m 3 has a plasma density of 1 × 10 12 cm −3 . Was obtained with a low power of about 300 W. It can also be seen that the plasma density increases as the magnetic field intensity in the vicinity of the spiral antenna 4 increases, and the half-value width of the plasma density distribution in the radial direction can be controlled to be wide.

以上説明したように、実施例で得られたタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ容積は約２ｍ3 であり、本発明者らによる従来例の約７倍も容積が大きい高周波プラズマが得られる。また、径方向のプラズマ密度分布も制御できる。これにより、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置によれば、容積が大きく径方向のプラズマ密度分布がよく、かつ、制御可能なＩＣＰやヘリコン波による高周波プラズマを得ることができる。 As described above, the high-frequency plasma volume having the tapped antenna obtained in the example is about 2 m 3 , and a high-frequency plasma having a volume about 7 times larger than the conventional example by the present inventors can be obtained. Also, the plasma density distribution in the radial direction can be controlled. Thereby, according to the high-frequency plasma apparatus having the tapped antenna of the present invention, it is possible to obtain high-frequency plasma by ICP or helicon wave that is controllable and has a good plasma density distribution in the radial direction.

本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。所望の磁場分布を与える磁石、反応室の形状、タップ付きアンテナなどの形状は、プラズマの目的に応じて、適宜設計できることも明らかである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. It is also clear that the shape of the magnet, reaction chamber, tapped antenna, etc. that give the desired magnetic field distribution can be designed as appropriate according to the purpose of the plasma.

本発明によるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置の第１の実施の形態の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of 1st Embodiment of the high frequency plasma apparatus which has an antenna with a tap by this invention. 本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いる電磁石により反応室に生じる磁束密度分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of magnetic flux density distribution which arises in a reaction chamber with the electromagnet used for the high frequency plasma apparatus which has an antenna with a tap of this invention. Ｚ方向の磁場を模式的に説明する図であり、それぞれ、（ａ）は一様磁場、（ｂ）は発散磁場、（ｃ）は収束磁場、（ｄ）はカスプ磁場である。It is a figure explaining the magnetic field of a Z direction typically, (a) is a uniform magnetic field, (b) is a divergent magnetic field, (c) is a convergence magnetic field, (d) is a cusp magnetic field, respectively. タップ付きスパイラルアンテナの形状を示す平面図及び断面図である。It is the top view and sectional drawing which show the shape of the spiral antenna with a tap. 本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いるタップ付きスパイラルアンテナ用の整合回路の一例を示し、（ａ）はスプリットタンク回路、（ｂ）はπマッチ回路である。An example of a matching circuit for a tapped spiral antenna used in a high-frequency plasma apparatus having a tapped antenna of the present invention is shown, wherein (a) is a split tank circuit and (b) is a π match circuit. 本発明によるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置の第２の実施の形態の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of 2nd Embodiment of the high frequency plasma apparatus which has an antenna with a tap by this invention. 本発明による第２の実施の形態の変形例の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the modification of 2nd Embodiment by this invention. 本発明によるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置の第３の実施の形態の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of 3rd Embodiment of the high frequency plasma apparatus which has an antenna with a tap by this invention. 磁石により形成される反応室内の磁束密度分布を示す図である。It is a figure which shows magnetic flux density distribution in the reaction chamber formed of a magnet. 高周波発振器の出力電力と副磁石電流が０Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output power of a high frequency oscillator, and the plasma density obtained when the submagnet current is 0A. 高周波発振器の出力電力と副磁石電流が５Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output power of a high frequency oscillator, and the plasma density obtained when the submagnet current is 5A. 高周波発振器の出力電力と副磁石電流が１０Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output power of a high frequency oscillator, and the plasma density obtained when the submagnet current is 10A. 高周波発振器の出力電力と副磁石電流が１５Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output power of a high frequency oscillator, and the plasma density obtained when the submagnet current is 15A. 図１０〜図１３に示した副磁石の電流に対するプラズマ密度とジャンプ現象が生起するときの高周波電力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the plasma density with respect to the electric current of the submagnet shown in FIGS. 10-13, and the high frequency electric power when a jump phenomenon arises. 図１３におけるＺ軸の中心軸に沿う方向のプラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows the plasma density distribution of the direction in alignment with the central axis of the Z-axis in FIG. 図１０〜図１３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows the plasma density distribution of the radial direction in FIGS. 外周側３巻のタップ付きスパイラルアンテナを使用したときの高周波発振器の出力電力と得られたプラズマ密度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output electric power of a high frequency oscillator when using the outer periphery side 3 volume | tapped spiral antenna, and the obtained plasma density. 内周側３巻のタップ付きスパイラルアンテナを使用したときの高周波発振器の出力電力と得られたプラズマ密度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output electric power of a high frequency oscillator when using the inner periphery side 3 volume | tap spiral antenna, and the obtained plasma density. 図１７における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows the plasma density distribution of the radial direction in FIG. 図１８における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows the plasma density distribution of the radial direction in FIG. 実施例３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows the plasma density distribution of the radial direction in Example 3. FIG. 実施例４における径方向のヘリコン波による高周波プラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows the high frequency plasma density distribution by the helicon wave of the radial direction in Example 4. FIG. 実施例４における径方向のＩＣＰ高周波プラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows ICP high frequency plasma density distribution of the radial direction in Example 4. FIG. タップ付きスパイラルアンテナの内周側２巻のタップを使用した場合に給電を逆にしたときの径方向のヘリコン波による高周波プラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows the high frequency plasma density distribution by the helicon wave of a radial direction when electric power feeding is reversed when the tap of the inner peripheral side 2 turns of a spiral antenna with a tap is used. 図２３のタップ付きスパイラルアンテナの内周側２巻のタップを使用した場合に、給電を逆にしたときの径方向のＩＣＰ高周波プラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows ICP high frequency plasma density distribution of radial direction when electric power feeding is reversed when the tap of the inner peripheral side 2 turns of the spiral antenna with a tap of FIG. 23 is used. タップ付きスパイラルアンテナの内周側２巻のタップを使用した場合に給電を逆にしたときの径方向のＩＣＰとＣＣＰ混在の高周波プラズマ密度分布を示す図である。It is a figure which shows the high frequency plasma density distribution of ICP and CCP of radial direction when electric power feeding is reversed when the tap of the inner peripheral side of a spiral antenna with a tap is used. 薄膜の堆積，エッチングに使用される一般的な容量性結合型プラズマ発生装置を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the general capacitive coupling type plasma generator used for deposition and etching of a thin film. プラズマ処理装置に使用されている一般的な誘導性結合型プラズマ発生装置を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the general inductively coupled plasma generator used for the plasma processing apparatus. 従来のヘリコン波プラズマ装置の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the conventional helicon wave plasma apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１ 反応室
２ 窓
３ 磁石
３ａ 主磁石
３ｂ 副磁石
４ タップ付きアンテナ（タップ付きスパイラルアンテナ）
４ａ，４ｂ タップ付きスパイラルアンテナ端部
４ｃ タップ
５ 高周波発振器
６ 整合器
７ ガス導入装置
８ 真空排気装置
９ 制御装置
１０ 高周波プラズマ
１２，１３ 銅管
１４，１５，１６，１７ 可変容量コンデンサ
１８ インダクタンス
２０，３０，３５，４０ タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置
２１ 基板
２２ ステージ
２３ 高周波バイアス用発振器
２５ 電子発生部
２６ 電子発生用ヒータ
２７ 引き出し電極
２８ ヒータ加熱用電源
２９ 電子引き出し用電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction chamber 2 Window 3 Magnet 3a Main magnet 3b Secondary magnet 4 Antenna with a tap (spiral antenna with a tap)
4a, 4b Taped spiral antenna end 4c Tap 5 High frequency oscillator 6 Matching device 7 Gas introduction device 8 Vacuum exhaust device 9 Control device 10 High frequency plasma 12, 13 Copper tubes 14, 15, 16, 17 Variable capacitance capacitor 18 Inductance 20, 30, 35, 40 High-frequency plasma apparatus 21 having a tapped antenna 21 Substrate 22 Stage 23 High-frequency bias oscillator 25 Electron generator 26 Electron generator heater 27 Extraction electrode 28 Heater heating power supply 29 Electronic extraction power supply

Claims (9)

高周波プラズマとなるガスが導入される反応室と、該反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、上記反応室の端部に設けられるプラズマ発生用のタップ付きアンテナと、該アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成る高周波プラズマ装置のプラズマ発生方法であって、
上記磁石を主磁石と副磁石とで構成し、該副磁石を上記反応室の端部側に配置し、
上記反応室内に形成される磁場を、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れかまたは該磁場の何れか二種以上の組み合わせとし、
上記磁石により上記反応室の軸方向の磁束密度分布をその中心部において平坦にすると共に、
上記高周波電力の周波数ｆを、上記タップ付きアンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、上記反応室の中央部に印加される磁場Ｂ２により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２とに対して、ｆ＜ｆ１／１０及びｆ２／１０で、かつ、上記プラズマとなるガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも１０倍以上高い周波数として、上記高周波プラズマとなるヘリコン波プラズマを発生させることにより、
上記反応室の軸方向のプラズマ密度分布を、上記磁束密度分布が平坦となっている軸方向の中心部において平坦にすることを特徴とする、高周波プラズマの発生方法。 A reaction chamber into which a gas to be a high frequency plasma is introduced, a magnet provided outside the reaction chamber for applying a magnetic field, a tapped antenna for plasma generation provided at an end of the reaction chamber, and a high frequency to the antenna A plasma generation method for a high-frequency plasma device comprising a high-frequency oscillator for applying power,
The magnet is composed of a main magnet and a submagnet, and the submagnet is arranged on the end side of the reaction chamber,
The magnetic field formed in the reaction chamber is a uniform magnetic field, a divergent magnetic field, a convergent magnetic field, a cusp magnetic field, or a combination of any two or more of the magnetic fields,
The magnetic flux density distribution in the axial direction of the reaction chamber is flattened at the center by the magnet,
The frequency f of the high frequency power is f <f1 / with respect to the electron cyclotron frequency f1 determined by the magnetic field near the tapped antenna and the electron cyclotron frequency f2 determined by the magnetic field B2 applied to the center of the reaction chamber. 10 and f2 / 10, and, as a high frequency 10 times higher than the ion cyclotron frequency by the gas component to be the plasma, by generating the helicon wave plasma comprising a high-frequency plasma,
A method for generating high-frequency plasma, characterized in that the plasma density distribution in the axial direction of the reaction chamber is flattened at a central portion in the axial direction where the magnetic flux density distribution is flat. 高周波プラズマとなるガスが導入される反応室と、該反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、上記反応室の端部に設けられるプラズマ発生用のタップ付きアンテナと、該アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、上記反応室内に基板が載置されるステージと、から成るタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置のプラズマ形成方法であって、
上記磁石を主磁石と副磁石とで構成し、該副磁石を上記反応室の端部側に配置し、
上記反応室内に形成される磁場を、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れかまたは該磁場の何れか二種以上の組み合わせとし、
上記磁石により上記反応室の軸方向の磁束密度分布をその中心部において平坦にすると共に、
上記高周波電力の周波数ｆを、上記タップ付きアンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、上記反応室の中央部に印加される磁場Ｂ２により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２とに対して、ｆ＜ｆ１／１０及びｆ２／１０で、かつ、上記プラズマとなるガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも１０倍以上高い周波数として、上記高周波プラズマとなるヘリコン波プラズマを発生させることにより、
上記反応室の軸方向のプラズマ密度分布を、上記磁束密度分布の平坦が平坦となっている軸方向の中心部において平坦にすることを特徴とする、高周波プラズマの発生方法。 A reaction chamber into which a gas to be a high frequency plasma is introduced, a magnet provided outside the reaction chamber for applying a magnetic field, a tapped antenna for plasma generation provided at an end of the reaction chamber, and a high frequency to the antenna A plasma forming method for a high-frequency plasma apparatus having a tapped antenna comprising a high-frequency oscillator for applying power and a stage on which a substrate is placed in the reaction chamber,
The magnet is composed of a main magnet and a submagnet, and the submagnet is arranged on the end side of the reaction chamber,
The magnetic field formed in the reaction chamber is a uniform magnetic field, a divergent magnetic field, a convergent magnetic field, a cusp magnetic field, or a combination of any two or more of the magnetic fields,
The magnetic flux density distribution in the axial direction of the reaction chamber is flattened at the center by the magnet,
The frequency f of the high frequency power is f <f1 / with respect to the electron cyclotron frequency f1 determined by the magnetic field near the tapped antenna and the electron cyclotron frequency f2 determined by the magnetic field B2 applied to the center of the reaction chamber. 10 and f2 / 10, and, as a high frequency 10 times higher than the ion cyclotron frequency by the gas component to be the plasma, by generating the helicon wave plasma comprising a high-frequency plasma,
A method of generating high-frequency plasma, characterized in that the plasma density distribution in the axial direction of the reaction chamber is flattened at a central portion in the axial direction where the flatness of the magnetic flux density distribution is flat. 前記反応室の軸方向の磁束密度分布において、その両端部の磁場を中心部よりも低くすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波プラズマの発生方法。 3. The method of generating high-frequency plasma according to claim 1, wherein in the magnetic flux density distribution in the axial direction of the reaction chamber, the magnetic fields at both ends of the reaction chamber are made lower than the central portion. 前記副磁石を電磁石とし、前記反応室の軸方向のプラズマ密度分布を、該電磁石の電流により変化させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波プラズマの発生方法。 The method of generating high-frequency plasma according to claim 1 or 2 , wherein the sub-magnet is an electromagnet, and the plasma density distribution in the axial direction of the reaction chamber is changed by an electric current of the electromagnet. 前記副磁石を電磁石とし、前記反応室の径方向のプラズマ密度分布を、該電磁石の電流により変化させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波プラズマの発生方法。 The method of generating high-frequency plasma according to claim 1 or 2 , wherein the sub-magnet is an electromagnet, and the plasma density distribution in the radial direction of the reaction chamber is changed by an electric current of the electromagnet. 前記反応室の径方向のプラズマ密度分布を前記タップ付きアンテナのタップ位置により変化させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波プラズマの発生方法。 3. The method of generating high-frequency plasma according to claim 1, wherein a plasma density distribution in a radial direction of the reaction chamber is changed depending on a tap position of the tapped antenna. 前記反応室の径方向のプラズマ密度分布を、前記タップ付きアンテナの給電電位により変化させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波プラズマ発生方法。 The high-frequency plasma generation method according to claim 1 or 2 , wherein a plasma density distribution in a radial direction of the reaction chamber is changed by a feeding potential of the tapped antenna. 前記反応室の軸方向のプラズマ密度の最大値が、１×１０9 ｃｍ-3以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波プラズマの発生方法。 3. The method of generating high-frequency plasma according to claim 1, wherein the maximum value of the plasma density in the axial direction of the reaction chamber is 1 × 10 9 cm −3 or more. 前記ステージにバイアス用高周波発振器を接続し、前記基板のバイアスを制御することを特徴とする、請求項２に記載の高周波プラズマの発生方法。 3. The method of generating high-frequency plasma according to claim 2 , wherein a bias high-frequency oscillator is connected to the stage to control the bias of the substrate.
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