JP4414507B2

JP4414507B2 - プラズマを発生させるための装置

Info

Publication number: JP4414507B2
Application number: JP14835699A
Authority: JP
Inventors: リーアミヒャエル
Original assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2019-05-27
Also published as: KR19990088498A; EP0961528A2; JPH11354297A; US6191532B1; TW432903B; DE19824077A1; DE59915175D1; KR100359380B1; EP0961528B1; EP0961528A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交番電磁界（ｅｌｅｋｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｃｈ．Ｗｅｃｈｓｅｌｆｅｌｄｅｒ）を用いて真空室内にプラズマを発生させるための装置であって、少なくとも１つのロッド状の導体が、絶縁性の材料から成る絶縁管の内部で真空室内に突入しており、該絶縁管の内径が、導体の直径よりも大きく形成されており、絶縁管が少なくとも一方の端部で、真空室の壁に保持されていて、該壁に対して絶縁管の外面がシールされており、導体が少なくとも一方の端部で、交番電磁界を発生させるための源に接続されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを発生させるための公知の装置（ドイツ連邦共和国特許第１９５０３２０５号明細書）では、制限された運転領域（プロセス領域、ガス圧、マイクロ波出力）で表面処理および被覆技術のためのプラズマを発生させることが可能である。この公知の装置は主として、真空プロセス室内に設備された円筒状のガラス管と、このガラス管内に設けられた、金属導電性の管とから成っており、この場合、ガラス管の内室には雰囲気圧が形成される。マイクロ波出力は両側で２つの供給部と、内導体および外導体から成る金属製の２つの同軸線路とによって真空プロセス室の壁を通じて導入される。真空プロセス室内部では同軸線路の外導体が存在せず、外導体はプラズマ放電によって代えられる。このプラズマ放電は十分な点弧条件（ガス圧）においてマイクロ波出力によって点弧されて、維持される。この場合、マイクロ波出力は金属製の両同軸線路からガラス管を通じて真空プロセス室内に進出することができる。プラズマは円筒状のガラス管を外方から取り囲んで、内導体と共に極めて高い減衰被膜を有する１つの同軸線路を形成する。両側で供給された定置のマイクロ波出力において、真空プロセス室のガス圧は、真空プロセス室の内部で同軸線路の外導体が欠如している場所でプラズマが見た目には装置に沿って均一に発生するように調節され得る。
【０００３】
さらに、マイクロ波励起によって処理室内にプラズマを局所的に発生させるための装置が公知である（ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１３６２９７号明細書）。この公知の装置は、壁に取付け可能なフランジまたは壁自体によって外側の部分と内側の部分とに分割されており、この場合、外側の部分にはマイクロ波発生装置が配置されている。このマイクロ波発生装置のマイクロ波はマイクロ波入力結合装置を介して内側の部分に向かって案内される。このマイクロ波入力結合装置は、フランジを貫通した、絶縁性の材料から成る外側の導波管を有しており、この外側の導波管内には金属から成る内導体が延びており、この場合、マイクロ波はマイクロ波発生装置から内導体に入力結合される。
【０００４】
さらに、交番電磁界を用いて真空室内にプラズマを発生させるための装置が提案されている（ドイツ連邦共和国特許出願第１９７２２２７２．２号明細書）。この装置では、ロッド状の導体が、絶縁性の材料から成る絶縁管の内部で真空室を通って案内されており、絶縁管の内径は導体の直径よりも大きく形成されている。絶縁管は両端部で真空室の壁に保持されており、この壁に対して絶縁管の外面がシールされており、導体は両端部でそれぞれ、交番電磁界を発生させるための第１の源に接続されている。ロッド状の導体はそれぞれ両壁貫通案内部の範囲で導体の真ん中の部分に向かう方向で、導電性の材料から成る管片により小さな間隔を置いて取り囲まれており、この場合、両管片は絶縁管に対して同心的に配置されており、それぞれ、絶縁管と各管片とによって形成された円環円筒状の中間室は、交番電磁界を発生させるための第２の源に接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の装置を改良して、マイクロ波における交番磁界の発生に基づく、析出された層における変動を回避するために適当となる装置を提供することである。当該装置はさらに廉価に製造可能であることが望ましく、特にマイクロ波送振器を反射された出力から保護するためのコストのかかるアイソレータの組込みが回避されることが望ましい。すなわち、アンテナは、各アンテナに固有の放射特性に対して付加的に、アプリケーション（たとえばプラズマ）によって反射された出力を再び吸収することなしに高周波数のマイクロ波を放射し得る特性をも有するように形成されていることが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、ロッド状の導体の、真空室内に突入して延びる部分の範囲が、螺旋体として成形されており、ただし該部分の巻き線長さ（Ｌ）が、１０゜＜α＜１５゜のつる巻き角においてほぼ波長λに相当しているようにした。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の有利な構成では、複数のロッド状の導体が、絶縁性の材料から成る１つの絶縁管の内部で真空室を貫いて案内されており、該絶縁管の内径が、導体の直径よりも大きく形成されており、絶縁管が両端部で、真空室の壁に保持されていて、該壁に対して絶縁管の外面がシールされており、導体がそれぞれ、交番電磁界を発生させるための固有の源に接続されており、ロッド状の導体の、真空室内に突入して延びる部分の範囲が、螺旋体として成形されており、ただし前記両部分の巻き線長さが、ほぼ波長λおよび１０゜＜α＜１５゜のつる巻き角に相当している。
【０００８】
本発明の択一的な構成では、複数のロッド状の導体が、絶縁性の材料から成る複数の絶縁管の内部で真空室を貫いて案内されており、該絶縁管の内径が、それぞれ導体の直径よりも大きく形成されており、絶縁管がそれぞれ一方の端部で、真空室の壁に保持されていて、それぞれ該壁に対して絶縁管の外面がシールされており、各導体が一方の端部でそれぞれ、交番電磁界を発生させるための源に接続されており、ロッド状の導体の、真空室内に突入して延びる部分の範囲が、螺旋体として成形されており、ただし前記両部分の巻き線長さが、ほぼ波長λおよび１０゜＜α＜１５゜のつる巻き角に相当している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１０】
図１に示した装置は、Ｔ_１モードで作動させられる螺旋アンテナに関する。この場合、円偏波されたマイクロ波放射線が中心軸線に沿って螺旋体の自由端部から放射されて、プラズマ放電を点弧させかつ維持する。
【００１１】
マイクロ波出力は方形導波管１０によってマイクロ波発生器から供給され、このマイクロ波出力はインピーダンス整合素子１１，１２によって同軸線路４に伝達される。螺旋アンテナ２の螺旋体は同軸線路４の内導体に接続されていて、同軸線路４の横方向電磁波、つまりＴＥＭ波を円偏波に変換し、この円偏波を、真空密であるがマイクロ波透過性の絶縁管５を通じて真空室３内へ放射する。真空室３の金属導電性（ｍｅｔａｌｌｉｓｃｈｌｅｉｔｅｎｄ．）の壁６は後進波のためのリフレクタシールドとして働く。
【００１２】
上記タイプの複数の装置が、同一のプラズマ処理室内でマイクロ波出力を放射するようになっている（図６）。この場合、個々の螺旋アンテナはマイクロ波技術的に分離されているが、ただし互いに向かい合って配置された装置は逆向きの巻き方向（ヘリシティ）を有していることが必要となる。
【００１３】
正確に言えば、一方の側に設けられた装置が右回りのヘリシティを有していると、他方の装置は左回りのヘリシティを有していなければならない。理想的な条件下では、左円偏波されたマイクロ波放射線を右回りのヘリックスアンテナもしくは螺旋アンテナによって吸収することはできないか、もしくは逆に、右円偏波されたマイクロ波放射線を左回りのヘリックスアンテナもしくは螺旋アンテナによって吸収することはできない。円偏波されたマイクロ波放射線は、金属導電性の平らな表面における反射時にその都度の偏波方向を変化させる。
【００１４】
それぞれ２つの互いに向かい合って位置する本発明による装置は、図７に示したように真空密でかつマイクロ波透過性の１つの共通の絶縁管５内に配置され得る。この場合、両装置は互いに逆向きのヘリシティを有している。
【００１５】
本発明による装置から前進方向へ放射されたマイクロ波放射線は、プラズマ放電を発生させ、このプラズマ放電はマイクロ波放射線にとっては波動力学的に見て、吸収性の誘電体を成し、この誘電体内でマイクロ波は強力な減衰を受ける。減衰を弱め、ひいてはプラズマのジオメトリ形状を変化させる（特に：長手方向で延伸させる）ためには、両装置の間にプラズマなしの接続通路を形成することが有利になり得る。運転パラメータが適宜に設定された場合に、互いに向かい合って配置された各２つの本発明による装置の間には、定在波磁界パターンをほとんど有しない、閉じられたプラズマ柱を形成することができる。
【００１６】
マイクロ波を放射するために使用される、つる巻き状もしくは螺旋状に成形されたロッドアンテナ（「ヘリックス」とも呼ばれる）は、いわゆる「Ｔ_１モード」で作動させられるような特性を有している。図２には、約４つの巻き条を備えた螺旋アンテナもしくはヘリックスが示されている。この螺旋アンテナには、同軸線路を介してマイクロ波出力が供給される。「ヘリックス」の放射線特性は、第１に、巻き直径Ｄ対供給されるマイクロ波の波長λ_０の比に関連しており、第２に、つる巻き角αに関連している。これらのパラメータの設定に応じて、「ヘリックス」アンテナは極端な事例では、図４および図５に示したように、互いに十分に相補的な放射線特性を示す２つの異なるモードで放射する。
【００１７】
Ｔ_１モード：
巻き線長さＬ＝Ｃ／ｃｏｓ（α）がほぼ波長λ_０および１０゜＜α＜１５゜に相当する。
【００１８】
この運転状態では、ヘリックスアンテナもしくは螺旋アンテナが、図４に示したように著しく大きな主ローブと小さな副ローブとで、ヘリックス中心軸線に対して同心的にヘリックスの自由端部から放射する（エンドファイアもしくは縦形アンテナ）。その上、少なくとも４つの巻き条を備えたヘリックスアンテナでは、放射線が十分な円偏波を有しており、この円偏波の回転方向はアンテナのヘリシティによって規定される。このような種類のヘリックスアンテナは「クラウスコイル（Ｋｒａｕｓ−Ｃｏｉｌ）」（モノフィラメント、軸方向モードＴ_１Ｒ_１）と呼ばれる。クラウスコイルの詳細な構成は、「Ａｎｔｅｎｎａｓ」、第２版（ＪｏｈｎＤ．Ｋｒａｕｓ著、出版社Ｍｃｇｒａｗ−ＨｉｌｌＢｏｏｋＣｏｍｐａｎｙ、第７章参照）に記載されている。可能となるアンテナ利得はヘリックスのジオメトリ、たとえば巻き直径、つる巻き角および全長に関連していて、最大１５ｄＢであってよく、しかしこの場合、管状の金属導電性の材料の直径や、その固有電気抵抗の直径とはほとんど無関係である（Ｄ．Ｔ．Ｅｍｅｒｓｏｎ著の「ＮａｔｉｏｎａｌＲａｄｉｏＡｓｔｒｏｎｏｍｙＯｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ」ＡｎｔｅｎｎａＣｏｍｐｅｎｄｉｕｍ第４巻、第６４頁〜第６８頁、１９９５年、出版社ＡＡＲＬ参照）。
【００１９】
Ｔ_０モード：
巻き線長さＬ＝Ｃ／ｃｏｓ（α）が波長λ_０および１０゜＜α＜１５゜よりも著しく小さい。
【００２０】
この運転状態では、ヘリックスが、図５に示したようにヘリックス中心軸線に対してほぼ直角に延びるローブ、つまり真っ直ぐなロッドアンテナと同様に半径方向に延びるローブを有する強度分布で放射する。このような運転状態は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１３６２９７号明細書またはドイツ連邦共和国特許第１９５０３２０５号明細書に記載の装置のための基礎である。Ｔ_０モードは本発明の対象のためには重要ではない。
【００２１】
Ｔ_２、Ｔ_３、．．．モード：
巻き線長さＬ＝Ｃ／ｃｏｓ（α）が波長λ_０および１０゜＜α＜１５゜よりも著しく大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】螺旋アンテナと、真空室側で閉じられた絶縁管とを備えた装置の断面図である。
【図２】典型的な螺旋アンテナの概略図である。
【図３】螺旋アンテナの展開図である。
【図４】図１に示した装置をＴ_１モードで運転した場合のプラズマ雲を示す概略図である。
【図５】図１に示した装置をＴ_０モードで運転した場合のプラズマ雲を示す概略図である。
【図６】それぞれ閉じられた絶縁管内に互いに向かい合って位置するように配置された２つの螺旋アンテナを備えた装置を用いる実施例におけるプラズマ雲を示す概略図である。
【図７】両螺旋アンテナを取り囲む共通の絶縁管を備えた、互いに向かい合って位置するように配置された２つの螺旋アンテナを備えた装置を用いる実施例におけるプラズマ雲を示す概略図である。
【符号の説明】
２螺旋アンテナ、３真空室、４同軸線路、５絶縁管、６，７壁、８，９源、１０方形導波管、１１，１２インピーダンス整合素子、１３螺旋アンテナ、１４絶縁管、１５同軸線路、１６絶縁管

Claims

交番電磁界を用いて真空室（３）内にプラズマを発生させるための装置において、１つのロッド状の導体（４）が、絶縁性の材料から成る１つの絶縁管（５）の内部で真空室（３）を貫いて案内されており、該絶縁管（５）の内径が、導体（４）の直径よりも大きく形成されており、絶縁管（５）が少なくとも一方の端部で、真空室（３）の壁（６，７）に保持されていて、該壁（６，７）に対して絶縁管（５）の外面がシールされており、導体（４）が少なくとも一方の端部で、交番電磁界を発生させるための第１の源（８；９）に接続されており、ロッド状の導体（４）の、真空室（３）内に突入して延びる部分の範囲が、螺旋体（２）として成形されており、
該螺旋体のつる巻き角αが１０°＜α＜１５°であり、該螺旋体の１つの巻き条の巻き線長さＬが、つる巻き直径Ｄとしたとき
Ｌ＝（πＤ）／ｃｏｓ（α）
であって、波長λ_０に相当する
ことを特徴とする、プラズマを発生させるための装置。
交番電磁界を用いて真空室（３）内にプラズマを発生させるための装置において、複数のロッド状の導体（４，１５）が、絶縁性の材料から成る１つの絶縁管（１４）の内部で真空室（３）を貫いて案内されており、該絶縁管（１４）の内径が、導体（４，１５）の直径よりも大きく形成されており、絶縁管（１４）が両端部で、真空室（３）の壁（６，７）に保持されていて、該壁（６，７）に対して絶縁管（１４）の外面がシールされており、導体（４，１５）がそれぞれ、交番電磁界を発生させるための固有の源（８；９）に接続されており、ロッド状の導体（４，１５）の、真空室（３）内に突入して延びる部分の範囲が、螺旋体（２；１３）として成形されており、
該螺旋体のつる巻き角αが１０°＜α＜１５°であり、該螺旋体の１つの巻き条の巻き線長さＬが、つる巻き直径Ｄとしたとき
Ｌ＝（πＤ）／ｃｏｓ（α）
であって、波長λ_０に相当する
ことを特徴とする、プラズマを発生させるための装置。
交番電磁界を用いて真空室（３）内にプラズマを発生させるための装置において、複数のロッド状の導体（４，１５）が、絶縁性の材料から成る複数の絶縁管（５，１６）の内部で真空室（３）を貫いて案内されており、該絶縁管（５，１６）の内径が、それぞれ導体（４，１５）の直径よりも大きく形成されており、絶縁管（５，１６）がそれぞれ一方の端部で、真空室（３）の壁（６，７）に保持されていて、それぞれ該壁（６，７）に対して絶縁管（５，１６）の外面がシールされており、各導体（４，１５）が一方の端部でそれぞれ、交番電磁界を発生させるための源（８；９）に接続されており、ロッド状の導体（４，１５）の、真空室（３）内に突入して延びる部分の範囲が、螺旋体（２；１３）として成形されており、
該螺旋体のつる巻き角αが１０°＜α＜１５°であり、該螺旋体の１つの巻き条の巻き線長さＬが、つる巻き直径Ｄとしたとき
Ｌ＝（πＤ）／ｃｏｓ（α）
であって、波長λ_０に相当する
ことを特徴とする、プラズマを発生させるための装置。