JP6283797B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents
プラズマ発生装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6283797B2 JP6283797B2 JP2015559782A JP2015559782A JP6283797B2 JP 6283797 B2 JP6283797 B2 JP 6283797B2 JP 2015559782 A JP2015559782 A JP 2015559782A JP 2015559782 A JP2015559782 A JP 2015559782A JP 6283797 B2 JP6283797 B2 JP 6283797B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnet
- plasma
- conductor
- antenna container
- container
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32192—Microwave generated discharge
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32192—Microwave generated discharge
- H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
- H01J37/32229—Waveguides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32431—Constructional details of the reactor
- H01J37/3266—Magnetic control means
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32431—Constructional details of the reactor
- H01J37/3266—Magnetic control means
- H01J37/32678—Electron cyclotron resonance
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
- H05H1/461—Microwave discharges
- H05H1/463—Microwave discharges using antennas or applicators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Description
【書類名】 明細書
【発明の名称】 プラズマ発生装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜形成や微細加工プロセス装置ならびにイオンビーム照射装置に適用されるプラズマ発生装置に関し、より詳細には、電力効率の良い、小型化を図ることができるプラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応性ガスをプラズマ化し、電離した活性種を利用してスパッタ、エッチング、イオン注入等を行うプラズマ処理装置でプラズマを発生させる方法としてマイクロ波を利用するものがある。
【０００３】
従来より、マイクロ波プラズマ発生装置として、マイクロ波による永久磁石方式ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式がある。その１例として、特許文献１に示されるような装置がある。
この装置は、真空容器の天井には同軸導波管外部導体が連通され、同軸導波管外部導体は矩形導波管を介してマイクロ波電力供給装置に接続されている。前記同軸導波管外部導体内には軸状の同軸導波管中心導体が挿入され、同軸部真空隔壁により前記同軸導波管外部導体に気密に保持され、前記同軸導波管中心導体の上端部は前記矩形導波管内に突出して矩形−同軸導波管変換部をなし、前記同軸導波管中心導体の下端には平板状電極が前記天井と平行に設けられている。前記天井には前記平板状電極に対応する範囲に所要数の永久磁石が載設されている。前記平板状電極と永久磁石との間に背面板を介在している。また、前記真空容器の側壁上部には放電ガス供給装置が、側壁下部には排気装置が設けられている。そして、真空容器内を前記排気装置により真空引きし、前記放電ガス供給装置より放電ガスを導入しつつ、マイクロ波電力供給装置よりマイクロ波を矩形導波管、同軸導波管外部導体、更に前記同軸導波管中心導体を介して前記平板状電極８に供給すると、該平板状電極と前記永久磁石間に形成される磁界によりＥＣＲプラズマが発生する。このプラズマを利用して、基板電極上の被処理基板をエッチング、ＣＶＤ処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２９６９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１のプラズマ発生装置では、平板状電極の背後に永久磁石が面状に配置された構造であるため、永久磁石からの距離に伴う磁界の減衰が著しくＥＣＲ領域は薄いシート状に分布する。そのため、高い電力効率でプラズマを発生させるにはＥＣＲ領域が十分でないという問題かあった。また、大型化したプラズマ装置においては、プラズマに直接曝される平板状電極の耐久性が良くないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みなされたものである。従来のプラズマ発生装置の問題を解決し、電力効率の良い、耐久性と小型化を図ることができるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るプラズマ発生装置は、
中心導体と外部導体とより構成された同軸伝送線路にマイクロ波電源からマイクロ波を供給し、前記中心導体の先端部からマイクロ波を放射して電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
前記同軸伝送線路を囲んで第１磁石を設け、前記中心導体の先端部を位置させるアンテナ容器を設け、該アンテナ容器を囲んで第２磁石を設け、前記第１磁石は前記中心導体の中心軸と平行する方向に着磁した永久磁石とし、前記第２磁石は前記中心導体の中心軸の延びる方向と直角をなす方向に着磁した永久磁石とするとともに、前記アンテナ容器の中心から見た前記第１磁石と前記第２磁石磁極は同じ極性とし、電子サイクロトロン共鳴条件を満たす強度であって、合成した磁力線が前記中心導体の中心軸とほぼ平行である磁界を、前記中心導体に近接する体積的範囲にわたって前記アンテナ容器内に形成することを特徴とする。
【０００８】
この発明のプラズマ発生装置によれば、前記中心導体の中心軸に沿った磁界強度の勾配を平坦化でき、広い範囲でプラズマへのマイクロ波電力の吸収が改善されるので、高密度のプラズマを高い電力効率で、発生させることができる。
また、この発明のプラズマ発生装置においては、前記第１磁石と第２磁石は永久磁石とするので、小型化とコストダウンを図ることができる。
【０００９】
すなわち、この発明のプラズマ発生装置において、前記アンテナ容器中で中心導体は電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生する周波数のマイクロ波を放射し、前記第１磁石および第２磁石群は各々の成す磁界の合成によって、磁力線が前記中心導体の中心軸とほぼ平行である磁界を、前記中心導体に近接する体積的範囲にわたって前記アンテナ容器内に形成することで、電子サイクロトロン共鳴領域を前記アンテナ容器内の広い領域に形成することができる。例えば、２．４５［ギガヘルツ］のマイクロ波を放射し、電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生する８７５［ガウス］の磁界を形成する場合、この磁界を体積的範囲にわたって合成することができる。すなわち、この磁界は、平面的なごく狭い範囲でないので、ＥＣＲ領域を広く形成できる。その結果、高密度のプラズマを高い電力効率で発生することができる。
【００１０】
請求項２に記載のプラズマ発生装置の発明は、
前記中心導体の少なくとも前記アンテナ容器内に位置する部分は絶縁性の被覆部材で覆われているとともに、前記アンテナ容器の内面は内張絶縁部材で覆われていることを特徴とする。
【００１１】
この発明のプラズマ発生装置によれば、アンテナである中心導体の表面を冷却すると同時に、絶縁材で覆うので、荷電粒子による衝撃を受けにくくして、損傷されるのを防ぐことができ、耐久性を良くすることができる。
また、前記アンテナ容器の内面は内張絶縁部材で覆われているので、運転によりアンテナ容器が汚れることを防止するので、メンテナンス性がよい。また、フランジ部の加熱を抑制できる。さらに、マイクロ波によって加熱されたプラズマが内張絶縁部材により反射され、アンテナ容器内の密度を増大することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、マイクロ波の伝送線路を囲んで第１磁石を設け、アンテナ容器の外側に中心導体を包囲して第２磁石を配置している。そして、前記第１磁石は前記中心導体の中心軸と平行する方向に着磁し、前記第２磁石は前記中心導体の中心軸の延びる方向と直角をなす方向に着磁するとともに、前記アンテナ容器の中心から見た前記第１磁石と前記第２磁石を構成する個々の磁石の磁極は同じ極性とした。これにより、電子サイクロトロン共鳴条件を満たす強度であって、しかも磁力線が前記中心導体の中心軸とほぼ平行である磁界を、前記中心導体に近接する体積的範囲にわたって前記アンテナ容器内に形成することができる。その結果、前記中心導体に近接する体積的範囲にわたって電子サイクロトロン共鳴による高密度のプラズマを発生することができ、電力効率の良い、耐久性と小型化を図ったプラズマ発生装置を得ることができる。
【００１３】
また、高温に曝されるフランジ部等の箇所を高温から保護することにより、加熱を抑制でき、耐久性を良くし、電力効率を高め、高密度のプラズマを安定して発生し、より小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るプラズマ発生装置の断面図である。
【図２】図１の中心導体先端部を示す拡大断面図である。
【図３】図１における、Ａ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】図１の中心導体の中心軸上において第１磁石表面からの距離と磁束密度との関係を示すグラフである。
【図５】高エネルギー電子の放出を抑制するために、先端部絶縁部材の先端に設けた円盤状のヒサシの概念図である。
【図６】本発明に係るプラズマ発生装置の、アンテナ容器出口に設けた多孔電極の一例を示す断面図である。
【図７】図６における、Ｃ方向矢視図である。
【図８】本発明に係るプラズマ発生装置を適用したプラズマ処理装置の一例を示す断面図である。
【図９】他の実施形態のプラズマ発生装置の断面図である。
【図１０】さらに他の実施形態のプラズマ発生装置の図１Ａ−Ｂ矢視位置における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
この実施の形態のプラズマ発生装置１は、中心導体２と、これと同軸に外側に配置された外部導体３と、中心導体２と外部導体３とで構成した同軸伝送線路４と、外部導体３を囲む環状の第１磁石５と、マイクロ波電源２８からマイクロ波を中心導体２に供給する矩形導波管６とを備える。さらに、プラズマ発生装置１は、中心導体２の先端部を位置させる円筒状のアンテナ容器７と、このアンテナ容器７の外周に中心導体２と同軸、かつ環状に配置された第２磁石８と、アンテナ容器７内に位置する中心導体２の先端部を保護する被覆部材９とを備える。
【００１６】
中心導体２は、金属製で、マイクロ波を放射するアンテナの働きをなし、一端の先端は封止され、他端側からは内管２ａが挿通されて２重管構造をなしている。また、中心導体２の他端側は矩形導波管６内に位置し、マイクロ波電源２８から供給されるマイクロ波を先端部に伝送する。
【００１７】
中心導体２の他端側の矩形導波管６側には、中心導体２に冷却媒体を供給する中心導体冷媒入口２ｃが設けられ、内管２ａには使用した冷却媒体を排出する中心導体冷媒出口２ｄが設けられている。前記中心導体冷媒入口２ｃから流入させた冷却媒体は、内管２ａの外周から中心導体２の先端に向けて流れ、内管２ａの先端から還流して中心導体冷媒出口２ｄより排出される。なお、前記冷却媒体を流す方向は、逆であっても良い。冷却媒体としては水が優れているが、配管の腐食や冷却媒体の導電性を避けるべきときには腐食性のない液体や気体等を用いても良い。
【００１８】
また、中心導体２のアンテナ容器７内の先端部の外側は、図２に示すように、先端部絶縁部材２２、中間部絶縁部材２３、根元部絶縁部材２４および鍔状の鍔状絶縁部材２５からなる被覆部材９により覆われて、表面の金属部分は露出しないようにしている。各絶縁部材２２、２３、２４、２５の境界部は段部２２ａ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５ａを形成している。隣接する絶縁部材２４の段部が嵌め合わされ、プラズマ中の荷電粒子が合わせ目から直接直線的に中心導体２の表面には進めないようにしている。このように継ぎ目を形成することで、中心導体２が荷電粒子により衝撃されるのを防止している。この段部はこの形態のものに限られず、数を増やしたものや断面形状が凹凸を有したものでもよい。中心導体２のアンテナ容器７内の根元部は大径の鍔状の絶縁部材２５により覆われている。これにより、伝送線路４とアンテナ容器７との気密を保つ真空シール部材１１も保護されるようにされている。
【００１９】
さらに、中心導体２の先端と先端部絶縁部材２２との間にはクッション部材２６が充填されていて、熱膨張時の膨張を吸収するようになっている。このように構成することで、絶縁物の破壊を防ぐことができるとともに、マイクロ波の空間電界が最も集中する中心導体２の先端と先端部絶縁部材２２との隙間での内部放電を無くすことができる。被覆部材９の材料としては、絶縁性で耐熱性の窒化ホウ素等が好ましい。クッション部材２６としては、柔軟性黒鉛シートなどの耐熱性で柔軟性のある材料が用いられる。
【００２０】
さらに、被覆部材９と接する中心導体２の外周にはオネジ２ｂが螺設されている。そして、各絶縁部材２２、２３、２４、２５の内周にはメネジが螺設されている。これにより、各絶縁部材２２、２３、２４、２５と中心導体２との接触面積を大きくできる。その結果、各絶縁部材２２、２３、２４、２５の熱を中心導体２に効率よく伝達することができ、中心導体２内を流れる冷却媒体に熱を大量に移動させることができる。
【００２１】
マイクロ波の電界が集中する中心導体２の表面近傍では、プラズマの加熱が促進されるため、高エネルギーの電子が生成される。その過度の集中を低減するため、図５に示すように、先端部絶縁部材２２の先端に円盤状のヒサシ２２ｂを設けてもよい。このように中心部に集中しようとする電子の方向を変えることにより、過剰に高エネルギーの電子が、磁力線３０に沿ってプラズマ容器３１へ放出されるのを防止できる。
【００２２】
中心導体２および同軸に配置された外部導体３は、環状の伝送線路４を形成する。外部導体３の外周は同軸に環状の第１磁石５に囲まれている。
【００２３】
外部導体３のアンテナ容器７側にはフランジ部１０が形成されている（外部導体３とフランジ１０は一体である）。外部導体３内の伝送線路４とアンテナ容器７との間には、絶縁性の真空シール部材１１が介在し、アンテナ容器７と伝送線路４との気密が保たれている。真空シール部材１１は、前部押さえ部材１２と後部押さえ部材１３とこれらの間に介在する同軸シール部材１４と、これらの部材間にそれぞれ介在する前側Ｏリング１５と後側Ｏリング１６を有している。
【００２４】
前部押さえ部材１２と後部押さえ部材１３と同軸シール部材１４は、アルミナセラミックス等の絶縁物から構成されている。また、前側Ｏリング１５と後側Ｏリング１６の材質には、マイクロ波をほとんど吸収しないシリコンゴムやフッ素樹脂が望ましい。
【００２５】
これら真空シール部材１１は、フランジ部１０に締結されたセット板２７によって外部導体３内に密着固定される。フランジ部１０は水冷構造とされていて、フランジ冷媒入口１０ａとフランジ冷媒出口１０ｂを有している。これにより、真空シール部材１１の温度を一定に保ち、前側Ｏリング１５と後側Ｏリング１６の高温による劣化を防止する。
【００２６】
第１磁石５は、この実施の形態では単一の永久磁石で環状に形成されていて、磁極は長手方向（中心導体が延びる方向）に着磁している。そして、アンテナ容器７側をＮ極にしている。この第１磁石５は、第１磁石ホルダ５ａによりフランジ部１０に取り付けられている。磁石ホルダ５ａは、水冷構造とされていて、第１冷媒入口５ｃと第１冷媒出口５ｄを有している。磁石ホルダ５ａを冷却することにより、第１磁石５の温度を一定に保ち、熱減磁によるプラズマ特性の変化を抑制する。また、第１磁石５とフランジ部１０との間に非磁性の材料でできた第１磁石スペーサ５ｂを挿入すれば、アンテナ容器７内の第１磁石５による磁界を弱めることができるので、アンテナ容器７内の磁界強度の分布を調節することができる。これと同じ趣旨で、第１磁石の位置を機械的に移動する手段を用いても良い。第１磁石５を単一の永久磁石で形成することで、小型化、コストダウンが図れる。
【００２７】
第１磁石５は中心導体２の中心軸Ｚと平行する方向に着磁し、複数の第２磁石８の各々は中心導体２の中心軸Ｚが延びる方向と直交する方向に着磁している。アンテナ容器７の中心から見た第１磁石５と第２磁石８を構成する個々の永久磁石の磁極は同じ極性（図１ではＮ極）としている。第１磁石５と第２磁石群による磁力を各々調整することにより、アンテナ容器７内では、広い範囲において中心導体２の中心軸Ｚにほぼ平行な磁力線３０が形成できる。
【００２８】
アンテナ容器７は筒状の筒部７ａと前側フランジ部７ｂと後側フランジ部７ｃとから筒部内空間にプラズマ生成空間が形成されている。そして、筒部７ａの内周と外部導体３のフランジ部１０の筒部７ａ内の空間に露出する面は、石英ガラス等の耐熱性の絶縁物の内張絶縁部材１８で覆っている。これにより、マイクロ波によって加熱されたプラズマが静電的に反射されて、アンテナ容器７内のプラズマ密度を増大させることができる。また、筒部７ａが加熱されるのを抑えることができる。筒部７ａおよび内張絶縁部材１８をプラズマ容器３１内の方へ突き出すことで、プラズマ容器３１側のフランジ開口側面が隠され、プラズマ損失を減らすことができる。
【００２９】
図６および図７に示すように、アンテナ容器７がプラズマ容器３１に連通する開口端７ｄに、複数の小孔２９ａを有する導電性の多孔電極２９を設けてもよい。このように、小孔２９ａの口径がマイクロ波の波長に対して十分小さければ、マイクロ波をアンテナ容器７内に閉じ込めることができ、１台のプラズマ容器３１に複数本のプラズマ発生装置を設置しても、マイクロ波の干渉や他の電気回路への侵入等の問題が起こらないようにもできる。なお、前記小孔２９ａの孔形状は、図７のような円形だけでなく長円形等でも良いが、その長手寸法がマイクロ波の波長に対して十分小さいことが必要である。また、アンテナ容器７をプラズマ容器３１に対し負電位に置くことで、プラズマ陰極として使用することもできる。
【００３０】
また、アンテナ容器７と外部との気密は、アンテナ容器７の後側フランジ部７ｃと外部導体３のフランジ部１０との間に介在したＯリングなどのアンテナ容器シール部材１７により気密が保たれている。また、アンテナ容器７とプラズマ容器３１との気密は、アンテナ容器７の前側フランジ部７ｂとこれらの間に介在したＯリングなどのプラズマ容器シール部材１９により保たれている。なお、アンテナ容器７をプラズマ容器３１に対し負電位に置き、プラズマ陰極として使用する場合は、アンテナ容器７とプラズマ容器３１との間に絶縁性のフランジを介在させる。
【００３１】
第２磁石８は、この実施の形態では複数の角柱状の永久磁石を環状にアンテナ容器７の筒部７ａの外側に、半径方向で中心方向に同じ極性の磁極（図１ではＮ極）が向くように配置して、第２磁石群を構成している。この磁極の向きは第１磁石５の近い側（アンテナ容器中心に向く側）の磁極と同じ極性としている。このように第１磁石５と第２磁石８の磁極を同一とすることにより、アンテナ容器７内には、中心導体２の中心軸Ｚにほぼ平行な磁力線３０が形成される。そして、第２磁石８は伝熱性に優れた素材（例えばアルミニウム）による第２磁石ホルダ８ａに保持されている。第２磁石ホルダ８ａは、水冷構造を有する前側フランジ部７ｂおよび後側フランジ部７ｃに締結されていて、各第２磁石８の温度を一定に保ち、熱減磁によるプラズマ特性の変化を抑制する。また、各第２磁石８とアンテナ容器７を構成する筒部７ａとの間に、非磁性の材料でできた第２磁石スペーサ８ｂを挿入すれば、アンテナ容器７内の第２磁石群（以下、第２磁石群８とも言う）による磁界を弱めることができるので、アンテナ容器７内の磁界強度の分布を調節することができる。これと同じ趣旨で、第２磁石８の位置を機械的に移動する手段を用いても良い。なお、本実施の形態では第２磁石群として複数の角柱状の永久磁石を用いたが、同等の効果が得られれば、円柱形や扇形などの永久磁石を利用しても良い。また、環状の第１磁石５や第２磁石群は、十分な強さの磁力を発生させるためには一体成型物であることが望ましいが、必要な性能が得られるならば分割した構造でも良い。
【００３２】
図４は、上記のように構成した図１のプラズマ発生装置１の中心導体２の中心軸上において、第１磁石５表面（Ｐ０）からの距離と、第１磁石５および第２磁石群８により生じた磁界の磁束密度との関係を示すグラフである。磁束密度の正の値は図１の矢印Ｚ方向の磁束を表し、負の値は矢印Ｚと逆方向の磁束を表している。
【００３３】
ところで、第２磁石群の幾何学中心がＰ２であることから、第２磁石群８による磁界分布（一点鎖線）はＰ２に対して反転対称となる。第１磁石５による磁界（鎖線）は距離とともに単調減少するのに対し、第２磁石群８による磁界（一点鎖線）は単調増加している。この結果、これらの合成された磁界（実線）は、前記Ｐ１からＰ３までの区間においてほぼ一定の値となる。
【００３４】
前記Ｐ１からＰ３までの区間の合成された磁界（実線）が、ＥＣＲ条件となるよう調整すれば、広い範囲でマイクロ波電力がプラズマに共鳴的に吸収され、高密度のプラズマを発生することができる。いま、放射されるマイクロ波の周波数：ｆ［ヘルツ］、プラズマ中の電子の電荷：ｑ［クーロン］電子の質量：ｍ［キログラム］とすると、ＥＣＲ条件となる磁界の磁束密度：Ｂ［テスラ］は、下記の計算式（１）で求められる。
Ｂ＝２πｆ・ｍ／ｑ ・・・（１）
仮に、放射されるマイクロ波の周波数が、ｆ＝２．４５［ギガヘルツ］であるならば、ＥＣＲ条件を満たす磁界の磁束密度は、式（１）より、
Ｂ＝０．０８７５［テスラ］＝８７５［ガウス］となる。
【００３５】
次に、上記のように構成してなるプラズマ発生装置１を適用したプラズマ処理装置について、図８に示す一例によって説明する。
【００３６】
プラズマ容器３１には、一方の壁面より放電ガス供給装置３２がガス導入管３３を介して連通され、他方の壁面には真空排気装置３４が排気管３５を介して連通されている。プラズマ容器３１の底部には、被処理基板３７を搭載した基板電極３６が設置されており、任意の電圧（直流、高周波など）を印加できる。また、プラズマ容器３１には、プラズマの密度分布を調整する目的で、プラズマ発生装置１とは別に永久磁石や電磁石などの磁界発生手段３８を設けても良い。
【００３７】
次に、前記プラズマ処理装置の操業手順について説明する。まず、プラズマ容器３１を真空排気装置３４により真空引きし、アンテナ容器７内を減圧する。そして、放電ガス供給装置３２より放電ガスを供給しつつ、マイクロ波電源２８よりマイクロ波を矩形導波管６、同軸伝送線路４を構成する中心導体２を介してアンテナ容器７に供給する。すると、第１磁石５と第２磁石群８によって形成されるアンテナ容器７内の磁界によりＥＣＲプラズマが発生する。このプラズマを利用して、プラズマ容器３１においてエッチング、プラズマＣＶＤ処理、イオン注入そしてイオンビーム照射等の所要の処理を行う。
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、永久磁石を組み合わせることにより、広い帯域でＥＣＲプラズマを高効率で発生することができ、電磁石を使わないので、軽量で小型化を図ることができる。
【００３９】
なお、本発明のプラズマ発生装置は、上述の実施の形態に限られるものではない。例えば、図９に示すように、マイクロ波を電源から矩形導波管を介して同軸伝送線路に供給しないで、マイクロ波電源から同軸ケーブルを介して供給する構成としてもよい。
【００４０】
図９に示す実施の形態のプラズマ発生装置において、上記実施の形態の装置と同様な作用をする部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４１】
この実施の形態のプラズマ発生装置１は、中心導体２と、これと同軸に外側に配置された外部導体３と、中心導体２と外部導体３とで構成した同軸伝送線路４ａと、外部導体３を囲む環状の第１磁石５と、マイクロ波電源２８からマイクロ波を中心導体２に供給する同軸ケーブル６０とを備える。さらに、同軸ケーブル６０と同軸伝送線路４ａ等の同軸伝送部材とを連結する接続コネクタ６１を備える。さらに、上記実施の形態のプラズマ発生装置１と同様に、中心導体２の先端部を位置させる円筒状のアンテナ容器７と、このアンテナ容器７の外周に中心導体２と同軸、かつ環状に配置された第２磁石８と、アンテナ容器７内に位置する中心導体２の先端部を保護する被覆部材９とを備える。
【００４２】
同軸伝送線路４ａは、中心導体２と外部導体３との間の空間に形成され、セラミックス等の誘電体を充填している。そして、これら中心導体２、外部導体３、誘電体等により伝送部を形成している。このように誘電体を充填することにより、中心と外部の両導体２，３間の間隔を小さくとっても、放電を防止することができる。
【００４３】
同軸ケーブル６０は、中心導体２と電気的に接続する中央導体６２と、外側導体６３を備える。中央と外部の両導体６２、６３間にポリエチレン等の誘電体が充填されている。マイクロ波発生装置と伝送部とを同軸ケーブル６０により接続することにより、導波管を無くして構造を簡単にし、小型化を図っている。
【００４４】
接続コネクタ６１は、真空シール部材１１ａを備えるとともに、図示しない絶縁部材を備える。そして、外部導体３と外側導体６３とは図示しない絶縁材によって電気的に絶縁している。
【００４５】
この実施の形態のプラズマ発生装置によれば、中心導体の軸心方向に平行に着磁した第１磁石と、この着磁方向と直交する方向に着磁した第２磁石とを備える。そして、マイクロ波電源に直接、同軸伝送線路に相当する同軸ケーブルを接続している。これにより、電力効率を良くし、構造を簡単にし、小型にすることができる。
【００４６】
また、本発明のプラズマ発生装置を、図１０に示すように、アンテナ容器を４角形等の多角形としてもよい。この実施の形態において、上記実施の形態の装置と同様な作用をなす部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４７】
この実施の形態のプラズマ発生装置では、中心導体２の先端部を位置させるアンテナ容器７０と、このアンテナ容器７０の外周に中心導体２との延びる方向に直交する方向に着磁された第２磁石８等を備える。
【００４８】
プラズマ発生装置を角形のアンテナ容器で構成することにより、プラズマ処理装置において、構造を簡単にし、小型化を図ることができる。
【００４９】
この実施の形態のプラズマ発生装置では、中心導体２の先端部を位置させるアンテナ容器７０と、このアンテナ容器７０の外周に中心導体２との延びる方向に直交する方向に着磁された第２磁石８等を備える。
【００５０】
プラズマ発生装置を角形のアンテナ容器で構成することにより、プラズマ処理装置において、構造を簡単にし、小型化を図ることができる。
【００５１】
さらに、本発明のプラズマ発生装置は、上記実施の形態に限られないことはもちろんである。例えば、熱伝達をさらに改善する目的で、被覆部材９と中心導体２との接触部を接着やロウ付けなどの手段を用いて接合してもよいし、中心導体２の表面に溶射法を用いて被覆部材９を直接形成してもよい。
【００５２】
また同様の目的で、内張絶縁部材１８は、アンテナ容器７の筒部７ａおよびフランジ部１０の筒部７ａ内の空間に露出する面との接触部を接着やロウ付けなどの手段を用いて接合してもよいし、アンテナ容器７の筒部７ａおよびフランジ部１０の筒部７ａ内の空間に露出する面に、溶射法を用いて内張絶縁部材１８を直接形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
薄膜形成、微細加工プロセス、イオンビーム照射等に適用される。
【符号の説明】
【００５４】
１ プラズマ発生装置
２，６２ 中心導体
２ａ 内管
２ｂ 中心導体のオネジ
２ｃ 中心導体冷媒入口
２ｄ 中心導体冷媒出口
３，６３ 外部導体
４，４ａ 伝送線路
５ 第１磁石
５ａ 第１磁石ホルダ
５ｂ 第１磁石スペーサ
５ｃ 第１冷媒入口
５ｄ 第１冷媒出口
６ 矩形導波管
７，７０ アンテナ容器
７ａ 筒部
７ｂ 前側フランジ部
７ｃ 後側フランジ部
７ｄ 開口端
７ｅ アンテナ容器冷媒入口
７ｆ アンテナ容器冷媒出口
８ 第２磁石
８ａ 第２磁石ホルダ
８ｂ 第２磁石スペーサ
９ 被覆部材
１０ フランジ部
１０ａ フランジ部冷媒入口
１０ｂ フランジ部冷媒出口
１１ 真空シール部材
１２ 前部押さえ部材
１３ 後部押さえ部材
１４ 同軸シール部材
１５ 前側Ｏリング
１６ 後側Ｏリング
１７ アンテナ容器シール部材
１８ 内張絶縁部材
１９ プラズマ容器シール部材
２２ 先端絶縁部材
２３ 中間部絶縁部材
２４ 根元部絶縁部材
２５ 鍔状絶縁部材
２６ クッション部材
２７ セット板
２８ マイクロ波電源
２９ 多孔電極
２９ａ 多孔電極の小孔
３０ 磁力線
３１ プラズマ容器
３２ 放電ガス供給装置
３３ ガス導入管
３４ 真空排気装置
３５ 排気管
３６ 基板電極
３７ 被処理基板
３８ 磁界発生手段
６０ 同軸ケーブル
６１ 接続コネクタ
【発明の名称】 プラズマ発生装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜形成や微細加工プロセス装置ならびにイオンビーム照射装置に適用されるプラズマ発生装置に関し、より詳細には、電力効率の良い、小型化を図ることができるプラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応性ガスをプラズマ化し、電離した活性種を利用してスパッタ、エッチング、イオン注入等を行うプラズマ処理装置でプラズマを発生させる方法としてマイクロ波を利用するものがある。
【０００３】
従来より、マイクロ波プラズマ発生装置として、マイクロ波による永久磁石方式ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式がある。その１例として、特許文献１に示されるような装置がある。
この装置は、真空容器の天井には同軸導波管外部導体が連通され、同軸導波管外部導体は矩形導波管を介してマイクロ波電力供給装置に接続されている。前記同軸導波管外部導体内には軸状の同軸導波管中心導体が挿入され、同軸部真空隔壁により前記同軸導波管外部導体に気密に保持され、前記同軸導波管中心導体の上端部は前記矩形導波管内に突出して矩形−同軸導波管変換部をなし、前記同軸導波管中心導体の下端には平板状電極が前記天井と平行に設けられている。前記天井には前記平板状電極に対応する範囲に所要数の永久磁石が載設されている。前記平板状電極と永久磁石との間に背面板を介在している。また、前記真空容器の側壁上部には放電ガス供給装置が、側壁下部には排気装置が設けられている。そして、真空容器内を前記排気装置により真空引きし、前記放電ガス供給装置より放電ガスを導入しつつ、マイクロ波電力供給装置よりマイクロ波を矩形導波管、同軸導波管外部導体、更に前記同軸導波管中心導体を介して前記平板状電極８に供給すると、該平板状電極と前記永久磁石間に形成される磁界によりＥＣＲプラズマが発生する。このプラズマを利用して、基板電極上の被処理基板をエッチング、ＣＶＤ処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２９６９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１のプラズマ発生装置では、平板状電極の背後に永久磁石が面状に配置された構造であるため、永久磁石からの距離に伴う磁界の減衰が著しくＥＣＲ領域は薄いシート状に分布する。そのため、高い電力効率でプラズマを発生させるにはＥＣＲ領域が十分でないという問題かあった。また、大型化したプラズマ装置においては、プラズマに直接曝される平板状電極の耐久性が良くないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みなされたものである。従来のプラズマ発生装置の問題を解決し、電力効率の良い、耐久性と小型化を図ることができるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るプラズマ発生装置は、
中心導体と外部導体とより構成された同軸伝送線路にマイクロ波電源からマイクロ波を供給し、前記中心導体の先端部からマイクロ波を放射して電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
前記同軸伝送線路を囲んで第１磁石を設け、前記中心導体の先端部を位置させるアンテナ容器を設け、該アンテナ容器を囲んで第２磁石を設け、前記第１磁石は前記中心導体の中心軸と平行する方向に着磁した永久磁石とし、前記第２磁石は前記中心導体の中心軸の延びる方向と直角をなす方向に着磁した永久磁石とするとともに、前記アンテナ容器の中心から見た前記第１磁石と前記第２磁石磁極は同じ極性とし、電子サイクロトロン共鳴条件を満たす強度であって、合成した磁力線が前記中心導体の中心軸とほぼ平行である磁界を、前記中心導体に近接する体積的範囲にわたって前記アンテナ容器内に形成することを特徴とする。
【０００８】
この発明のプラズマ発生装置によれば、前記中心導体の中心軸に沿った磁界強度の勾配を平坦化でき、広い範囲でプラズマへのマイクロ波電力の吸収が改善されるので、高密度のプラズマを高い電力効率で、発生させることができる。
また、この発明のプラズマ発生装置においては、前記第１磁石と第２磁石は永久磁石とするので、小型化とコストダウンを図ることができる。
【０００９】
すなわち、この発明のプラズマ発生装置において、前記アンテナ容器中で中心導体は電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生する周波数のマイクロ波を放射し、前記第１磁石および第２磁石群は各々の成す磁界の合成によって、磁力線が前記中心導体の中心軸とほぼ平行である磁界を、前記中心導体に近接する体積的範囲にわたって前記アンテナ容器内に形成することで、電子サイクロトロン共鳴領域を前記アンテナ容器内の広い領域に形成することができる。例えば、２．４５［ギガヘルツ］のマイクロ波を放射し、電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生する８７５［ガウス］の磁界を形成する場合、この磁界を体積的範囲にわたって合成することができる。すなわち、この磁界は、平面的なごく狭い範囲でないので、ＥＣＲ領域を広く形成できる。その結果、高密度のプラズマを高い電力効率で発生することができる。
【００１０】
請求項２に記載のプラズマ発生装置の発明は、
前記中心導体の少なくとも前記アンテナ容器内に位置する部分は絶縁性の被覆部材で覆われているとともに、前記アンテナ容器の内面は内張絶縁部材で覆われていることを特徴とする。
【００１１】
この発明のプラズマ発生装置によれば、アンテナである中心導体の表面を冷却すると同時に、絶縁材で覆うので、荷電粒子による衝撃を受けにくくして、損傷されるのを防ぐことができ、耐久性を良くすることができる。
また、前記アンテナ容器の内面は内張絶縁部材で覆われているので、運転によりアンテナ容器が汚れることを防止するので、メンテナンス性がよい。また、フランジ部の加熱を抑制できる。さらに、マイクロ波によって加熱されたプラズマが内張絶縁部材により反射され、アンテナ容器内の密度を増大することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、マイクロ波の伝送線路を囲んで第１磁石を設け、アンテナ容器の外側に中心導体を包囲して第２磁石を配置している。そして、前記第１磁石は前記中心導体の中心軸と平行する方向に着磁し、前記第２磁石は前記中心導体の中心軸の延びる方向と直角をなす方向に着磁するとともに、前記アンテナ容器の中心から見た前記第１磁石と前記第２磁石を構成する個々の磁石の磁極は同じ極性とした。これにより、電子サイクロトロン共鳴条件を満たす強度であって、しかも磁力線が前記中心導体の中心軸とほぼ平行である磁界を、前記中心導体に近接する体積的範囲にわたって前記アンテナ容器内に形成することができる。その結果、前記中心導体に近接する体積的範囲にわたって電子サイクロトロン共鳴による高密度のプラズマを発生することができ、電力効率の良い、耐久性と小型化を図ったプラズマ発生装置を得ることができる。
【００１３】
また、高温に曝されるフランジ部等の箇所を高温から保護することにより、加熱を抑制でき、耐久性を良くし、電力効率を高め、高密度のプラズマを安定して発生し、より小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るプラズマ発生装置の断面図である。
【図２】図１の中心導体先端部を示す拡大断面図である。
【図３】図１における、Ａ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】図１の中心導体の中心軸上において第１磁石表面からの距離と磁束密度との関係を示すグラフである。
【図５】高エネルギー電子の放出を抑制するために、先端部絶縁部材の先端に設けた円盤状のヒサシの概念図である。
【図６】本発明に係るプラズマ発生装置の、アンテナ容器出口に設けた多孔電極の一例を示す断面図である。
【図７】図６における、Ｃ方向矢視図である。
【図８】本発明に係るプラズマ発生装置を適用したプラズマ処理装置の一例を示す断面図である。
【図９】他の実施形態のプラズマ発生装置の断面図である。
【図１０】さらに他の実施形態のプラズマ発生装置の図１Ａ−Ｂ矢視位置における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
この実施の形態のプラズマ発生装置１は、中心導体２と、これと同軸に外側に配置された外部導体３と、中心導体２と外部導体３とで構成した同軸伝送線路４と、外部導体３を囲む環状の第１磁石５と、マイクロ波電源２８からマイクロ波を中心導体２に供給する矩形導波管６とを備える。さらに、プラズマ発生装置１は、中心導体２の先端部を位置させる円筒状のアンテナ容器７と、このアンテナ容器７の外周に中心導体２と同軸、かつ環状に配置された第２磁石８と、アンテナ容器７内に位置する中心導体２の先端部を保護する被覆部材９とを備える。
【００１６】
中心導体２は、金属製で、マイクロ波を放射するアンテナの働きをなし、一端の先端は封止され、他端側からは内管２ａが挿通されて２重管構造をなしている。また、中心導体２の他端側は矩形導波管６内に位置し、マイクロ波電源２８から供給されるマイクロ波を先端部に伝送する。
【００１７】
中心導体２の他端側の矩形導波管６側には、中心導体２に冷却媒体を供給する中心導体冷媒入口２ｃが設けられ、内管２ａには使用した冷却媒体を排出する中心導体冷媒出口２ｄが設けられている。前記中心導体冷媒入口２ｃから流入させた冷却媒体は、内管２ａの外周から中心導体２の先端に向けて流れ、内管２ａの先端から還流して中心導体冷媒出口２ｄより排出される。なお、前記冷却媒体を流す方向は、逆であっても良い。冷却媒体としては水が優れているが、配管の腐食や冷却媒体の導電性を避けるべきときには腐食性のない液体や気体等を用いても良い。
【００１８】
また、中心導体２のアンテナ容器７内の先端部の外側は、図２に示すように、先端部絶縁部材２２、中間部絶縁部材２３、根元部絶縁部材２４および鍔状の鍔状絶縁部材２５からなる被覆部材９により覆われて、表面の金属部分は露出しないようにしている。各絶縁部材２２、２３、２４、２５の境界部は段部２２ａ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５ａを形成している。隣接する絶縁部材２４の段部が嵌め合わされ、プラズマ中の荷電粒子が合わせ目から直接直線的に中心導体２の表面には進めないようにしている。このように継ぎ目を形成することで、中心導体２が荷電粒子により衝撃されるのを防止している。この段部はこの形態のものに限られず、数を増やしたものや断面形状が凹凸を有したものでもよい。中心導体２のアンテナ容器７内の根元部は大径の鍔状の絶縁部材２５により覆われている。これにより、伝送線路４とアンテナ容器７との気密を保つ真空シール部材１１も保護されるようにされている。
【００１９】
さらに、中心導体２の先端と先端部絶縁部材２２との間にはクッション部材２６が充填されていて、熱膨張時の膨張を吸収するようになっている。このように構成することで、絶縁物の破壊を防ぐことができるとともに、マイクロ波の空間電界が最も集中する中心導体２の先端と先端部絶縁部材２２との隙間での内部放電を無くすことができる。被覆部材９の材料としては、絶縁性で耐熱性の窒化ホウ素等が好ましい。クッション部材２６としては、柔軟性黒鉛シートなどの耐熱性で柔軟性のある材料が用いられる。
【００２０】
さらに、被覆部材９と接する中心導体２の外周にはオネジ２ｂが螺設されている。そして、各絶縁部材２２、２３、２４、２５の内周にはメネジが螺設されている。これにより、各絶縁部材２２、２３、２４、２５と中心導体２との接触面積を大きくできる。その結果、各絶縁部材２２、２３、２４、２５の熱を中心導体２に効率よく伝達することができ、中心導体２内を流れる冷却媒体に熱を大量に移動させることができる。
【００２１】
マイクロ波の電界が集中する中心導体２の表面近傍では、プラズマの加熱が促進されるため、高エネルギーの電子が生成される。その過度の集中を低減するため、図５に示すように、先端部絶縁部材２２の先端に円盤状のヒサシ２２ｂを設けてもよい。このように中心部に集中しようとする電子の方向を変えることにより、過剰に高エネルギーの電子が、磁力線３０に沿ってプラズマ容器３１へ放出されるのを防止できる。
【００２２】
中心導体２および同軸に配置された外部導体３は、環状の伝送線路４を形成する。外部導体３の外周は同軸に環状の第１磁石５に囲まれている。
【００２３】
外部導体３のアンテナ容器７側にはフランジ部１０が形成されている（外部導体３とフランジ１０は一体である）。外部導体３内の伝送線路４とアンテナ容器７との間には、絶縁性の真空シール部材１１が介在し、アンテナ容器７と伝送線路４との気密が保たれている。真空シール部材１１は、前部押さえ部材１２と後部押さえ部材１３とこれらの間に介在する同軸シール部材１４と、これらの部材間にそれぞれ介在する前側Ｏリング１５と後側Ｏリング１６を有している。
【００２４】
前部押さえ部材１２と後部押さえ部材１３と同軸シール部材１４は、アルミナセラミックス等の絶縁物から構成されている。また、前側Ｏリング１５と後側Ｏリング１６の材質には、マイクロ波をほとんど吸収しないシリコンゴムやフッ素樹脂が望ましい。
【００２５】
これら真空シール部材１１は、フランジ部１０に締結されたセット板２７によって外部導体３内に密着固定される。フランジ部１０は水冷構造とされていて、フランジ冷媒入口１０ａとフランジ冷媒出口１０ｂを有している。これにより、真空シール部材１１の温度を一定に保ち、前側Ｏリング１５と後側Ｏリング１６の高温による劣化を防止する。
【００２６】
第１磁石５は、この実施の形態では単一の永久磁石で環状に形成されていて、磁極は長手方向（中心導体が延びる方向）に着磁している。そして、アンテナ容器７側をＮ極にしている。この第１磁石５は、第１磁石ホルダ５ａによりフランジ部１０に取り付けられている。磁石ホルダ５ａは、水冷構造とされていて、第１冷媒入口５ｃと第１冷媒出口５ｄを有している。磁石ホルダ５ａを冷却することにより、第１磁石５の温度を一定に保ち、熱減磁によるプラズマ特性の変化を抑制する。また、第１磁石５とフランジ部１０との間に非磁性の材料でできた第１磁石スペーサ５ｂを挿入すれば、アンテナ容器７内の第１磁石５による磁界を弱めることができるので、アンテナ容器７内の磁界強度の分布を調節することができる。これと同じ趣旨で、第１磁石の位置を機械的に移動する手段を用いても良い。第１磁石５を単一の永久磁石で形成することで、小型化、コストダウンが図れる。
【００２７】
第１磁石５は中心導体２の中心軸Ｚと平行する方向に着磁し、複数の第２磁石８の各々は中心導体２の中心軸Ｚが延びる方向と直交する方向に着磁している。アンテナ容器７の中心から見た第１磁石５と第２磁石８を構成する個々の永久磁石の磁極は同じ極性（図１ではＮ極）としている。第１磁石５と第２磁石群による磁力を各々調整することにより、アンテナ容器７内では、広い範囲において中心導体２の中心軸Ｚにほぼ平行な磁力線３０が形成できる。
【００２８】
アンテナ容器７は筒状の筒部７ａと前側フランジ部７ｂと後側フランジ部７ｃとから筒部内空間にプラズマ生成空間が形成されている。そして、筒部７ａの内周と外部導体３のフランジ部１０の筒部７ａ内の空間に露出する面は、石英ガラス等の耐熱性の絶縁物の内張絶縁部材１８で覆っている。これにより、マイクロ波によって加熱されたプラズマが静電的に反射されて、アンテナ容器７内のプラズマ密度を増大させることができる。また、筒部７ａが加熱されるのを抑えることができる。筒部７ａおよび内張絶縁部材１８をプラズマ容器３１内の方へ突き出すことで、プラズマ容器３１側のフランジ開口側面が隠され、プラズマ損失を減らすことができる。
【００２９】
図６および図７に示すように、アンテナ容器７がプラズマ容器３１に連通する開口端７ｄに、複数の小孔２９ａを有する導電性の多孔電極２９を設けてもよい。このように、小孔２９ａの口径がマイクロ波の波長に対して十分小さければ、マイクロ波をアンテナ容器７内に閉じ込めることができ、１台のプラズマ容器３１に複数本のプラズマ発生装置を設置しても、マイクロ波の干渉や他の電気回路への侵入等の問題が起こらないようにもできる。なお、前記小孔２９ａの孔形状は、図７のような円形だけでなく長円形等でも良いが、その長手寸法がマイクロ波の波長に対して十分小さいことが必要である。また、アンテナ容器７をプラズマ容器３１に対し負電位に置くことで、プラズマ陰極として使用することもできる。
【００３０】
また、アンテナ容器７と外部との気密は、アンテナ容器７の後側フランジ部７ｃと外部導体３のフランジ部１０との間に介在したＯリングなどのアンテナ容器シール部材１７により気密が保たれている。また、アンテナ容器７とプラズマ容器３１との気密は、アンテナ容器７の前側フランジ部７ｂとこれらの間に介在したＯリングなどのプラズマ容器シール部材１９により保たれている。なお、アンテナ容器７をプラズマ容器３１に対し負電位に置き、プラズマ陰極として使用する場合は、アンテナ容器７とプラズマ容器３１との間に絶縁性のフランジを介在させる。
【００３１】
第２磁石８は、この実施の形態では複数の角柱状の永久磁石を環状にアンテナ容器７の筒部７ａの外側に、半径方向で中心方向に同じ極性の磁極（図１ではＮ極）が向くように配置して、第２磁石群を構成している。この磁極の向きは第１磁石５の近い側（アンテナ容器中心に向く側）の磁極と同じ極性としている。このように第１磁石５と第２磁石８の磁極を同一とすることにより、アンテナ容器７内には、中心導体２の中心軸Ｚにほぼ平行な磁力線３０が形成される。そして、第２磁石８は伝熱性に優れた素材（例えばアルミニウム）による第２磁石ホルダ８ａに保持されている。第２磁石ホルダ８ａは、水冷構造を有する前側フランジ部７ｂおよび後側フランジ部７ｃに締結されていて、各第２磁石８の温度を一定に保ち、熱減磁によるプラズマ特性の変化を抑制する。また、各第２磁石８とアンテナ容器７を構成する筒部７ａとの間に、非磁性の材料でできた第２磁石スペーサ８ｂを挿入すれば、アンテナ容器７内の第２磁石群（以下、第２磁石群８とも言う）による磁界を弱めることができるので、アンテナ容器７内の磁界強度の分布を調節することができる。これと同じ趣旨で、第２磁石８の位置を機械的に移動する手段を用いても良い。なお、本実施の形態では第２磁石群として複数の角柱状の永久磁石を用いたが、同等の効果が得られれば、円柱形や扇形などの永久磁石を利用しても良い。また、環状の第１磁石５や第２磁石群は、十分な強さの磁力を発生させるためには一体成型物であることが望ましいが、必要な性能が得られるならば分割した構造でも良い。
【００３２】
図４は、上記のように構成した図１のプラズマ発生装置１の中心導体２の中心軸上において、第１磁石５表面（Ｐ０）からの距離と、第１磁石５および第２磁石群８により生じた磁界の磁束密度との関係を示すグラフである。磁束密度の正の値は図１の矢印Ｚ方向の磁束を表し、負の値は矢印Ｚと逆方向の磁束を表している。
【００３３】
ところで、第２磁石群の幾何学中心がＰ２であることから、第２磁石群８による磁界分布（一点鎖線）はＰ２に対して反転対称となる。第１磁石５による磁界（鎖線）は距離とともに単調減少するのに対し、第２磁石群８による磁界（一点鎖線）は単調増加している。この結果、これらの合成された磁界（実線）は、前記Ｐ１からＰ３までの区間においてほぼ一定の値となる。
【００３４】
前記Ｐ１からＰ３までの区間の合成された磁界（実線）が、ＥＣＲ条件となるよう調整すれば、広い範囲でマイクロ波電力がプラズマに共鳴的に吸収され、高密度のプラズマを発生することができる。いま、放射されるマイクロ波の周波数：ｆ［ヘルツ］、プラズマ中の電子の電荷：ｑ［クーロン］電子の質量：ｍ［キログラム］とすると、ＥＣＲ条件となる磁界の磁束密度：Ｂ［テスラ］は、下記の計算式（１）で求められる。
Ｂ＝２πｆ・ｍ／ｑ ・・・（１）
仮に、放射されるマイクロ波の周波数が、ｆ＝２．４５［ギガヘルツ］であるならば、ＥＣＲ条件を満たす磁界の磁束密度は、式（１）より、
Ｂ＝０．０８７５［テスラ］＝８７５［ガウス］となる。
【００３５】
次に、上記のように構成してなるプラズマ発生装置１を適用したプラズマ処理装置について、図８に示す一例によって説明する。
【００３６】
プラズマ容器３１には、一方の壁面より放電ガス供給装置３２がガス導入管３３を介して連通され、他方の壁面には真空排気装置３４が排気管３５を介して連通されている。プラズマ容器３１の底部には、被処理基板３７を搭載した基板電極３６が設置されており、任意の電圧（直流、高周波など）を印加できる。また、プラズマ容器３１には、プラズマの密度分布を調整する目的で、プラズマ発生装置１とは別に永久磁石や電磁石などの磁界発生手段３８を設けても良い。
【００３７】
次に、前記プラズマ処理装置の操業手順について説明する。まず、プラズマ容器３１を真空排気装置３４により真空引きし、アンテナ容器７内を減圧する。そして、放電ガス供給装置３２より放電ガスを供給しつつ、マイクロ波電源２８よりマイクロ波を矩形導波管６、同軸伝送線路４を構成する中心導体２を介してアンテナ容器７に供給する。すると、第１磁石５と第２磁石群８によって形成されるアンテナ容器７内の磁界によりＥＣＲプラズマが発生する。このプラズマを利用して、プラズマ容器３１においてエッチング、プラズマＣＶＤ処理、イオン注入そしてイオンビーム照射等の所要の処理を行う。
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、永久磁石を組み合わせることにより、広い帯域でＥＣＲプラズマを高効率で発生することができ、電磁石を使わないので、軽量で小型化を図ることができる。
【００３９】
なお、本発明のプラズマ発生装置は、上述の実施の形態に限られるものではない。例えば、図９に示すように、マイクロ波を電源から矩形導波管を介して同軸伝送線路に供給しないで、マイクロ波電源から同軸ケーブルを介して供給する構成としてもよい。
【００４０】
図９に示す実施の形態のプラズマ発生装置において、上記実施の形態の装置と同様な作用をする部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４１】
この実施の形態のプラズマ発生装置１は、中心導体２と、これと同軸に外側に配置された外部導体３と、中心導体２と外部導体３とで構成した同軸伝送線路４ａと、外部導体３を囲む環状の第１磁石５と、マイクロ波電源２８からマイクロ波を中心導体２に供給する同軸ケーブル６０とを備える。さらに、同軸ケーブル６０と同軸伝送線路４ａ等の同軸伝送部材とを連結する接続コネクタ６１を備える。さらに、上記実施の形態のプラズマ発生装置１と同様に、中心導体２の先端部を位置させる円筒状のアンテナ容器７と、このアンテナ容器７の外周に中心導体２と同軸、かつ環状に配置された第２磁石８と、アンテナ容器７内に位置する中心導体２の先端部を保護する被覆部材９とを備える。
【００４２】
同軸伝送線路４ａは、中心導体２と外部導体３との間の空間に形成され、セラミックス等の誘電体を充填している。そして、これら中心導体２、外部導体３、誘電体等により伝送部を形成している。このように誘電体を充填することにより、中心と外部の両導体２，３間の間隔を小さくとっても、放電を防止することができる。
【００４３】
同軸ケーブル６０は、中心導体２と電気的に接続する中央導体６２と、外側導体６３を備える。中央と外部の両導体６２、６３間にポリエチレン等の誘電体が充填されている。マイクロ波発生装置と伝送部とを同軸ケーブル６０により接続することにより、導波管を無くして構造を簡単にし、小型化を図っている。
【００４４】
接続コネクタ６１は、真空シール部材１１ａを備えるとともに、図示しない絶縁部材を備える。そして、外部導体３と外側導体６３とは図示しない絶縁材によって電気的に絶縁している。
【００４５】
この実施の形態のプラズマ発生装置によれば、中心導体の軸心方向に平行に着磁した第１磁石と、この着磁方向と直交する方向に着磁した第２磁石とを備える。そして、マイクロ波電源に直接、同軸伝送線路に相当する同軸ケーブルを接続している。これにより、電力効率を良くし、構造を簡単にし、小型にすることができる。
【００４６】
また、本発明のプラズマ発生装置を、図１０に示すように、アンテナ容器を４角形等の多角形としてもよい。この実施の形態において、上記実施の形態の装置と同様な作用をなす部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４７】
この実施の形態のプラズマ発生装置では、中心導体２の先端部を位置させるアンテナ容器７０と、このアンテナ容器７０の外周に中心導体２との延びる方向に直交する方向に着磁された第２磁石８等を備える。
【００４８】
プラズマ発生装置を角形のアンテナ容器で構成することにより、プラズマ処理装置において、構造を簡単にし、小型化を図ることができる。
【００４９】
この実施の形態のプラズマ発生装置では、中心導体２の先端部を位置させるアンテナ容器７０と、このアンテナ容器７０の外周に中心導体２との延びる方向に直交する方向に着磁された第２磁石８等を備える。
【００５０】
プラズマ発生装置を角形のアンテナ容器で構成することにより、プラズマ処理装置において、構造を簡単にし、小型化を図ることができる。
【００５１】
さらに、本発明のプラズマ発生装置は、上記実施の形態に限られないことはもちろんである。例えば、熱伝達をさらに改善する目的で、被覆部材９と中心導体２との接触部を接着やロウ付けなどの手段を用いて接合してもよいし、中心導体２の表面に溶射法を用いて被覆部材９を直接形成してもよい。
【００５２】
また同様の目的で、内張絶縁部材１８は、アンテナ容器７の筒部７ａおよびフランジ部１０の筒部７ａ内の空間に露出する面との接触部を接着やロウ付けなどの手段を用いて接合してもよいし、アンテナ容器７の筒部７ａおよびフランジ部１０の筒部７ａ内の空間に露出する面に、溶射法を用いて内張絶縁部材１８を直接形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
薄膜形成、微細加工プロセス、イオンビーム照射等に適用される。
【符号の説明】
【００５４】
１ プラズマ発生装置
２，６２ 中心導体
２ａ 内管
２ｂ 中心導体のオネジ
２ｃ 中心導体冷媒入口
２ｄ 中心導体冷媒出口
３，６３ 外部導体
４，４ａ 伝送線路
５ 第１磁石
５ａ 第１磁石ホルダ
５ｂ 第１磁石スペーサ
５ｃ 第１冷媒入口
５ｄ 第１冷媒出口
６ 矩形導波管
７，７０ アンテナ容器
７ａ 筒部
７ｂ 前側フランジ部
７ｃ 後側フランジ部
７ｄ 開口端
７ｅ アンテナ容器冷媒入口
７ｆ アンテナ容器冷媒出口
８ 第２磁石
８ａ 第２磁石ホルダ
８ｂ 第２磁石スペーサ
９ 被覆部材
１０ フランジ部
１０ａ フランジ部冷媒入口
１０ｂ フランジ部冷媒出口
１１ 真空シール部材
１２ 前部押さえ部材
１３ 後部押さえ部材
１４ 同軸シール部材
１５ 前側Ｏリング
１６ 後側Ｏリング
１７ アンテナ容器シール部材
１８ 内張絶縁部材
１９ プラズマ容器シール部材
２２ 先端絶縁部材
２３ 中間部絶縁部材
２４ 根元部絶縁部材
２５ 鍔状絶縁部材
２６ クッション部材
２７ セット板
２８ マイクロ波電源
２９ 多孔電極
２９ａ 多孔電極の小孔
３０ 磁力線
３１ プラズマ容器
３２ 放電ガス供給装置
３３ ガス導入管
３４ 真空排気装置
３５ 排気管
３６ 基板電極
３７ 被処理基板
３８ 磁界発生手段
６０ 同軸ケーブル
６１ 接続コネクタ
Claims (2)
- 中心導体と外部導体とより構成された同軸伝送線路にマイクロ波電源からマイクロ波を供給し、前記中心導体の先端部からマイクロ波を放射して電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
前記同軸伝送線路を囲んで第１磁石を設け、前記中心導体の先端部を位置させるアンテナ容器を設け、該アンテナ容器を囲んで第２磁石を設け、前記第１磁石は前記中心導体の中心軸と平行する方向に着磁した永久磁石とし、前記第２磁石は前記中心導体の中心軸の延びる方向と直角をなす方向に着磁した永久磁石とするとともに、前記アンテナ容器の中心から見た前記第１磁石と前記第２磁石の磁極は同じ極性とし、電子サイクロトロン共鳴条件を満たす強度であって、合成した磁力線が前記中心導体の中心軸とほぼ平行である磁界を、前記中心導体に近接する体積的範囲にわたって前記アンテナ容器内に形成することを特徴とするプラズマ発生装置。 - 前記中心導体の少なくとも前記アンテナ容器内に位置する部分は絶縁性の被覆部材で覆われているとともに、前記アンテナ容器の内面は内張絶縁部材で覆われていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014028950 | 2014-01-30 | ||
| JP2014028950 | 2014-01-30 | ||
| PCT/JP2014/083810 WO2015114992A1 (ja) | 2014-01-30 | 2014-12-02 | プラズマ発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2015114992A1 JPWO2015114992A1 (ja) | 2017-03-23 |
| JP6283797B2 true JP6283797B2 (ja) | 2018-02-28 |
Family
ID=53756584
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015559782A Active JP6283797B2 (ja) | 2014-01-30 | 2014-12-02 | プラズマ発生装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6283797B2 (ja) |
| WO (1) | WO2015114992A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6650799B2 (ja) * | 2016-03-15 | 2020-02-19 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | プラズマエッチング装置 |
| CN108668422B (zh) * | 2017-03-30 | 2021-06-08 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 一种等离子体产生腔室和等离子体处理装置 |
| JP6680271B2 (ja) * | 2017-06-23 | 2020-04-15 | 日新イオン機器株式会社 | プラズマ源 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07169594A (ja) * | 1993-12-14 | 1995-07-04 | Nissin Electric Co Ltd | ラジカル源装置 |
| JPH07296991A (ja) * | 1994-04-25 | 1995-11-10 | Kokusai Electric Co Ltd | マイクロ波プラズマ発生装置 |
| JPH11102799A (ja) * | 1997-09-26 | 1999-04-13 | Mitsubishi Electric Corp | プラズマ発生装置 |
| JP3608416B2 (ja) * | 1999-02-02 | 2005-01-12 | 日新電機株式会社 | プラズマ源 |
| KR101285265B1 (ko) * | 2009-02-06 | 2013-07-12 | 캐논 아네르바 가부시키가이샤 | 플라즈마 처리장치, 플라즈마 처리방법 및 피처리 기판을 포함한 소자 제조방법 |
-
2014
- 2014-12-02 JP JP2015559782A patent/JP6283797B2/ja active Active
- 2014-12-02 WO PCT/JP2014/083810 patent/WO2015114992A1/ja active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2015114992A1 (ja) | 2015-08-06 |
| JPWO2015114992A1 (ja) | 2017-03-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5747231B2 (ja) | プラズマ生成装置およびプラズマ処理装置 | |
| KR100270425B1 (ko) | 플라스마처리장치 | |
| JP5567005B2 (ja) | 回転可能なターゲットを備えたマイクロ波を援用したｐｖｄ | |
| KR101146071B1 (ko) | 이온화 물리적 기상 증착용의 자성적으로 향상된 용량 플라즈마 소스 | |
| US20100074807A1 (en) | Apparatus for generating a plasma | |
| JPH02103932A (ja) | 粒子発生源 | |
| JP2011521107A5 (ja) | 回転可能なターゲットを備えたマイクロ波を援用したｐｖｄ | |
| TW201401430A (zh) | 具有射頻返回路徑的基材支撐件 | |
| JP6283797B2 (ja) | プラズマ発生装置 | |
| JPH0563413A (ja) | 規則的なマイクロ波の場を発生させる装置 | |
| JP2010225296A (ja) | 誘導結合型アンテナユニット及びプラズマ処理装置 | |
| KR20100082781A (ko) | 손실 열 방출 장치 및 상기 장치를 구비한 이온 가속기 배열 | |
| TW201209878A (en) | Plasma generator | |
| CN110970280A (zh) | 离子源和等离子体处理设备 | |
| KR102384274B1 (ko) | 냉각구조를 개선한 플라즈마 반응기 | |
| JP2009272127A (ja) | プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置 | |
| CN211792198U (zh) | 谐振腔式ecr等离子体源装置 | |
| JP2965169B2 (ja) | マイクロ波放電反応装置及び電極装置 | |
| JP4000517B2 (ja) | マイクロ波プラズマ処理装置 | |
| JP2007018819A (ja) | 処理装置および処理方法 | |
| JP3981240B2 (ja) | マイクロ波プラズマ発生装置及び方法 | |
| KR102467297B1 (ko) | 마그네틱 코어 방열패드 | |
| JPS6351098A (ja) | プラズマ発生装置 | |
| CN118201186A (zh) | 一种射频四极子加速器及带电粒子加速器*** | |
| KR960013139B1 (ko) | 이시알 식각 장비 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20161014 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161107 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170718 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170911 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20171212 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20171219 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6283797 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |