JP7042142B2 - Plasma generator - Google Patents
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Description
本発明は誘導結合型のプラズマ発生装置に関する。 The present invention relates to an inductively coupled plasma generator.
半導体製造プロセスにおいては、プラズマを用いた半導体ウェハの成膜処理、エッチング処理等が行われている。特許文献１には、誘導結合プラズマ（ICP :Inductively Coupled Plasma）型のプラズマ発生装置が開示されている。当該プラズマ発生装置においては、アンテナコイルとプラズマとの静電結合の度合いを弱めるために、アンテナコイルと、真空管との間にファラデーシールドと呼ばれる金属板が挿入されている。
In the semiconductor manufacturing process, a film forming process and an etching process of a semiconductor wafer using plasma are performed.
しかしながら、アンテナコイルと真空管との間に金属板を挿入した場合、アンテナコイルが真空管に接触するように真空管の外周に巻回する場合に比べて、金属板の厚みの分だけアンテナコイルとプラズマとの距離が開くので、誘導結合の度合いが弱まり、力率が低下する。この低下分を補うために、アンテナコイルに電圧及び電流を供給する高周波電源の出力を大きくする必要がある。すなわち、電力損失が大きくなるという問題が生じている。なお、金属板の厚みは一般的に数ｍｍ程度である。更に金属板の内部に冷媒が通流する冷媒流路を設けて真空管を冷却するようにする場合は、金属板の厚みは薄くても１０ｍｍ程度になってしまう。 However, when a metal plate is inserted between the antenna coil and the vacuum tube, the antenna coil and plasma are separated by the thickness of the metal plate compared to the case where the antenna coil is wound around the outer circumference of the vacuum tube so as to come into contact with the vacuum tube. As the distance between the two increases, the degree of inductive coupling weakens and the power factor decreases. In order to compensate for this decrease, it is necessary to increase the output of the high frequency power supply that supplies voltage and current to the antenna coil. That is, there is a problem that the power loss becomes large. The thickness of the metal plate is generally about several mm. Further, when a refrigerant flow path through which the refrigerant flows is provided inside the metal plate to cool the vacuum tube, the thickness of the metal plate is about 10 mm even if it is thin.
ここで、上記の誘導結合に関するシミュレーションを行い、アンテナコイルと真空管の外周面との距離Ｄと、距離Ｄ＝０ｍｍの誘導結合の度合いを１００％とした場合の誘導結合の度合いＲ［％］との関係を調査した。
その結果、表１に示すように、アンテナコイルと真空管の外周面との距離Ｄ＝１０ｍｍの場合（金属板の厚みが１０ｍｍの場合に相当）には、誘導結合の度合いＲ＝約５３％となるので、誘導結合の度合いが約４７％低下することが分かった。
また、アンテナコイルと真空管の外周面との距離Ｄ＝１ｍｍの場合（金属板の厚みが１ｍｍの場合に相当）には、誘導結合の度合いＲ＝約９０％となるので、誘導結合の度合いが約１０％低下することが分かった。
このように、アンテナコイルと真空管との間に金属板が挿入することによりファラデーシールドを構成する場合には、誘導結合の度合いが大きく低下し、ひいては大きな電力損失が生じてしまうことが分かった。
Here, the above simulation of inductive coupling is performed, and the distance D between the antenna coil and the outer peripheral surface of the vacuum tube and the degree of inductive coupling R [%] when the degree of inductive coupling at a distance D = 0 mm is 100%. I investigated the relationship.
As a result, as shown in Table 1, when the distance D = 10 mm between the antenna coil and the outer peripheral surface of the vacuum tube (corresponding to the case where the thickness of the metal plate is 10 mm), the degree of inductive coupling R = about 53%. Therefore, it was found that the degree of inductive coupling was reduced by about 47%.
Further, when the distance D between the antenna coil and the outer peripheral surface of the vacuum tube is D = 1 mm (corresponding to the case where the thickness of the metal plate is 1 mm), the degree of inductive coupling R = about 90%, so that the degree of inductive coupling is high. It was found to decrease by about 10%.
As described above, when a metal plate is inserted between the antenna coil and the vacuum tube to form a Faraday shield, it has been found that the degree of inductive coupling is greatly reduced, which in turn causes a large power loss.
なお、上記シミュレーションは、次の条件で行った。
・真空管の形状：円筒形状
・真空管の材質：石英、アルミナ等の非導電性材料
・真空管の内径：約７６ｍｍ
・真空管の外径：約８０ｍｍ
・真空管の厚み：約２ｍｍ
・真空管の長手方向の長さ：約３１０ｍｍ
・アンテナコイルの材質：銅
・アンテナコイル：１０ｍｍ角のエッジワイズ
・アンテナコイルの内径：真空管外周面と距離Ｄ（０～１０ｍｍ）だけ離隔する寸法
・アンテナコイルに流れる電流の周波数：１ＭＨｚ
The above simulation was performed under the following conditions.
・ Vacuum tube shape: Cylindrical shape ・ Vacuum tube material: Non-conductive material such as quartz and alumina ・ Vacuum tube inner diameter: Approximately 76 mm
・ Outer diameter of vacuum tube: Approximately 80 mm
・ Thickness of vacuum tube: Approximately 2 mm
-Length of vacuum tube: Approximately 310 mm
・ Antenna coil material: Copper ・ Antenna coil: 10 mm square edgewise ・ Antenna coil inner diameter: Dimensions separated from the outer peripheral surface of the vacuum tube by a distance D (0 to 10 mm) ・ Frequency of current flowing through the antenna coil: 1 MHz
本発明の目的は、アンテナコイルとプラズマとの静電結合の度合いを抑制しつつ、アンテナコイルとプラズマとの誘導結合の度合いを最大化することができるプラズマ発生装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a plasma generator capable of maximizing the degree of inductively coupled between an antenna coil and plasma while suppressing the degree of electrostatic coupling between the antenna coil and plasma.
本発明に係るプラズマ発生装置は、材料ガスが流入する真空管と、該真空管の外周に巻回され、該真空管内に材料ガスのプラズマを発生させるためのアンテナコイルとを備えるプラズマ発生装置であって、前記真空管の外周面に成膜された導電性材料からなるファラデーシールド膜を備える。 The plasma generator according to the present invention is a plasma generator including a vacuum tube into which a material gas flows and an antenna coil wound around the outer periphery of the vacuum tube to generate plasma of the material gas in the vacuum tube. The plasma shield film made of a conductive material formed on the outer peripheral surface of the vacuum tube is provided.
本発明にあっては、プラズマ発生装置は、真空管の外周面に成膜されたファラデーシールド膜を有する。ファラデーシールド膜は、薄膜であるため真空管のより近傍にアンテナコイルを配することができ、アンテナコイルとプラズマとの誘導結合の度合いを向上させることができる。 In the present invention, the plasma generator has a Faraday shield film formed on the outer peripheral surface of the vacuum tube. Since the Faraday shield film is a thin film, the antenna coil can be arranged closer to the vacuum tube, and the degree of inductive coupling between the antenna coil and the plasma can be improved.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記ファラデーシールド膜は導電性材料を溶射又はメッキしてなる。 In the plasma generator according to the present invention, the Faraday shield film is formed by spraying or plating a conductive material.
本発明にあっては、導電性材料の溶射によって真空管の外周面にファラデーシールド膜を形成している。そのため、膜の厚みを調整することができる（例えば１０μｍオーダで膜の厚みを調整することができる）。 In the present invention, a Faraday shield film is formed on the outer peripheral surface of the vacuum tube by thermal spraying of a conductive material. Therefore, the thickness of the film can be adjusted (for example, the thickness of the film can be adjusted on the order of 10 μm).
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記ファラデーシールド膜の厚みは１０μｍ以上３００μｍ未満である。 In the plasma generator according to the present invention, the thickness of the Faraday shield film is 10 μm or more and less than 300 μm.
本発明にあっては、ファラデーシールド膜は１０μｍ以上３００μｍ未満であるため、真空管の近傍にアンテナコイルを配することができ、アンテナコイルとプラズマとの誘導結合の度合いを向上させることができる。 In the present invention, since the Faraday shield film is 10 μm or more and less than 300 μm, the antenna coil can be arranged in the vicinity of the vacuum tube, and the degree of inductive coupling between the antenna coil and the plasma can be improved.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記ファラデーシールド膜を複数備え、各ファラデーシールド膜は前記真空管の軸方向に長く、互いに周方向に離隔しており、一部の前記ファラデーシールド膜は基準電位に接続されている。 The plasma generator according to the present invention includes a plurality of the Faraday shield films, each Faraday shield film is long in the axial direction of the vacuum tube and is separated from each other in the circumferential direction, and some of the Faraday shield films have a reference potential. It is connected.
本発明にあっては、真空管の長手方向に伸びた帯状のファラデーシールド膜が、真空管の周方向に離隔して複数形成されている。従って、アンテナコイルが形成する磁場によって誘導された渦電流が、真空管の周方向に流れないようにすることができる。また、アンテナコイルとプラズマとの静電結合の度合いを全体的に弱めることができる。
また、複数のファラデーシールド膜の全部を基準電位に接続するのでは無く、その一部のファラデーシールド膜を基準電位に接続する構成であるため、静電結合の度合いを調整することができる。
In the present invention, a plurality of strip-shaped Faraday shield films extending in the longitudinal direction of the vacuum tube are formed at intervals in the circumferential direction of the vacuum tube. Therefore, the eddy current induced by the magnetic field formed by the antenna coil can be prevented from flowing in the circumferential direction of the vacuum tube. In addition, the degree of electrostatic coupling between the antenna coil and the plasma can be weakened as a whole.
Further, since the configuration is such that not all of the plurality of Faraday shield films are connected to the reference potential, but some of the Faraday shield films are connected to the reference potential, the degree of electrostatic coupling can be adjusted.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記ファラデーシールド膜と基準電位とを接続するグランド線を開閉するスイッチを備える。 The plasma generator according to the present invention includes a switch for opening and closing the ground wire connecting the Faraday shield film and the reference potential.
本発明にあっては、前記ファラデーシールド膜と基準電位とを接続するグランド線を開閉するスイッチを備えているので、ファラデーシールド膜の基準電位への接続の有無を切り換えて、静電結合の度合いを調整することができる。 In the present invention, since the switch for opening and closing the ground wire connecting the Faraday shield film and the reference potential is provided, the presence or absence of the connection to the reference potential of the Faraday shield film can be switched to determine the degree of electrostatic coupling. Can be adjusted.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記ファラデーシールド膜を覆う絶縁膜を備える。 The plasma generator according to the present invention includes an insulating film that covers the Faraday shield film.
本発明にあっては、ファラデーシールド膜を覆う絶縁膜を備えるため、アンテナコイル及びファラデーシールド間の放電を抑制することができ、真空管のより近傍にアンテナコイルを配することができる。アンテナコイルを真空管の外周面に接触させて、当該真空管に巻回させることも可能である。従って、アンテナコイルとプラズマとの誘導結合の度合いを向上させることができる。 In the present invention, since the insulating film covering the Faraday shield film is provided, the discharge between the antenna coil and the Faraday shield can be suppressed, and the antenna coil can be arranged closer to the vacuum tube. It is also possible to bring the antenna coil into contact with the outer peripheral surface of the vacuum tube and wind it around the vacuum tube. Therefore, the degree of inductively coupled between the antenna coil and the plasma can be improved.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記絶縁膜は非導電性材料を溶射してなる。 In the plasma generator according to the present invention, the insulating film is formed by spraying a non-conductive material.
本発明にあっては、非導電性材料の溶射によって真空管の外周面に絶縁膜を形成してある。従って、１０μｍオーダの絶縁膜を真空管の外周面に形成することができる。 In the present invention, an insulating film is formed on the outer peripheral surface of the vacuum tube by thermal spraying of a non-conductive material. Therefore, an insulating film on the order of 10 μm can be formed on the outer peripheral surface of the vacuum tube.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記ファラデーシールド膜と前記絶縁膜との厚みの合計は、３００μｍ未満である。 In the plasma generator according to the present invention, the total thickness of the Faraday shield film and the insulating film is less than 300 μm.
本発明にあっては、ファラデーシールド膜及び絶縁膜を溶射にて形成でき、従来よりも薄く形成することができるので、３００μｍ未満にすることが可能である。そのため、誘導結合の低下度合いを大幅に低減させることができる。 In the present invention, the Faraday shield film and the insulating film can be formed by thermal spraying and can be formed thinner than the conventional one, so that the thickness can be made less than 300 μm. Therefore, the degree of decrease in inductive coupling can be significantly reduced.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記アンテナコイルは、前記絶縁膜に接触している。 In the plasma generator according to the present invention, the antenna coil is in contact with the insulating film.
本発明にあっては、アンテナコイルは絶縁膜に接触している。従って、アンテナコイル及び真空管の距離は最短であり、アンテナコイルとプラズマとの誘導結合の度合いを最大化することができる。 In the present invention, the antenna coil is in contact with the insulating film. Therefore, the distance between the antenna coil and the vacuum tube is the shortest, and the degree of inductive coupling between the antenna coil and the plasma can be maximized.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記アンテナコイルは、前記絶縁膜に対して熱的に接触しており、前記アンテナコイルは、内部に冷媒が通流する冷媒流路を有する。 In the plasma generator according to the present invention, the antenna coil is in thermal contact with the insulating film, and the antenna coil has a refrigerant flow path through which the refrigerant flows.
本発明にあっては、冷媒流路を有するアンテナコイルが絶縁膜に対して熱的に接触している。従って、アンテナコイルに冷媒を通流させることによって、真空管を冷却することができる。 In the present invention, the antenna coil having the refrigerant flow path is in thermal contact with the insulating film. Therefore, the vacuum tube can be cooled by passing the refrigerant through the antenna coil.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記アンテナコイルは、断面角形のエッジワイズコイルであり、前記絶縁膜に直接的又は間接的に面接触している。 In the plasma generator according to the present invention, the antenna coil is an edgewise coil having a square cross section, and is in direct or indirect surface contact with the insulating film.
本発明にあっては、アンテナコイルはエッジワイズコイルであり、絶縁膜に対して直接的又は間接的に面接触している。従って、真空管をより効率的に冷却することができる。 In the present invention, the antenna coil is an edgewise coil and is in direct or indirect surface contact with the insulating film. Therefore, the vacuum tube can be cooled more efficiently.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記絶縁膜は、前記真空管の周方向全周を覆う。 In the plasma generator according to the present invention, the insulating film covers the entire circumference of the vacuum tube in the circumferential direction.
本発明にあっては、絶縁膜は真空管の周方向全周を覆っている。従って、絶縁膜をファラデーシールド膜部分のみに形成する場合に比べて、真空管の外周面を均一に均すことができる。よって、アンテナコイル及び真空管の接触面積を大きくし、冷却性を向上させることができる。 In the present invention, the insulating film covers the entire circumference of the vacuum tube in the circumferential direction. Therefore, the outer peripheral surface of the vacuum tube can be uniformly leveled as compared with the case where the insulating film is formed only on the Faraday shield film portion. Therefore, the contact area between the antenna coil and the vacuum tube can be increased, and the cooling performance can be improved.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記真空管の軸方向における前記アンテナコイルの間隙に配され、前記アンテナコイル又は前記真空管の熱を放熱する放熱部材を備える。 The plasma generator according to the present invention includes a heat radiating member which is arranged in the gap of the antenna coil in the axial direction of the vacuum tube and dissipates heat from the antenna coil or the vacuum tube.
本発明にあっては、アンテナコイルを構成する導線部分の間隙に放熱部材が配されている。従って、真空管の熱は、アンテナコイル及び放熱部材を通じて、放出される。よって、真空管をより効率的に冷却することができる。 In the present invention, the heat radiating member is arranged in the gap of the conducting wire portion constituting the antenna coil. Therefore, the heat of the vacuum tube is released through the antenna coil and the heat dissipation member. Therefore, the vacuum tube can be cooled more efficiently.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記放熱部材は弾性を有するシリコン樹脂である。 In the plasma generator according to the present invention, the heat radiating member is an elastic silicon resin.
本発明にあっては、放熱部材は弾性を有するため、アンテナコイルの熱膨張に対応することができる。また、放熱部材はシリコン樹脂であるため、絶縁性と、所要の熱伝導率を担保することができる。 In the present invention, since the heat radiating member has elasticity, it is possible to cope with the thermal expansion of the antenna coil. Further, since the heat radiating member is made of silicon resin, it is possible to secure the insulating property and the required thermal conductivity.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記ファラデーシールド膜と絶縁膜との間に中間層を有する。 The plasma generator according to the present invention has an intermediate layer between the Faraday shield film and the insulating film.
本発明にあっては、中間層を設けることによって、ファラデーシールド膜と絶縁膜との結合性を向上させることができる。中間層は、ファラデーシールド膜及び絶縁膜の中間的物性を有する材料である。 In the present invention, the bondability between the Faraday shield film and the insulating film can be improved by providing the intermediate layer. The intermediate layer is a material having intermediate physical properties between the Faraday shield film and the insulating film.
本発明に係るプラズマ発生装置は、前記真空管と前記ファラデーシールド膜との間に中間層を有する。 The plasma generator according to the present invention has an intermediate layer between the vacuum tube and the Faraday shield film.
本発明にあっては、中間層を設けることによって、真空管とファラデーシールド膜との結合性を向上させることができる。中間層は、真空管及びファラデーシールド膜の中間的物性を有する材料である。 In the present invention, the bondability between the vacuum tube and the Faraday shield film can be improved by providing the intermediate layer. The intermediate layer is a material having intermediate physical properties between the vacuum tube and the Faraday shield film.
本発明によれば、アンテナコイルとプラズマとの静電結合の度合いを抑制しつつ、アンテナコイルとプラズマとの誘導結合の度合いを最大化することができる。
なお、誘導結合を最大化させるとは、必ずしも理想的に実現可能な最大の誘導結合の度合い、シミュレーション上で実現可能な最大の誘導結合の度合いを意味するものでは無い。また、必ずしも試作品及び実製品において設計ないし実現可能な最大の誘導結合の度合いを意味するものでも無い。上記発明の効果は、コスト、製品設計、他の機能との兼ね合い、その他種々の理由により、誘導結合の度合いが最大化されていないプラズマ発生装置を本発明から除外する趣旨では無い。
本件発明は、アンテナコイルとプラズマとの誘導結合の度合いをなるべく低下させないで、アンテナコイルとプラズマとの静電結合の度合いを抑制する効果を奏すれば足りる。
According to the present invention, it is possible to maximize the degree of inductively coupled between the antenna coil and plasma while suppressing the degree of electrostatic coupling between the antenna coil and plasma.
Note that maximizing inductive coupling does not necessarily mean the degree of maximum inductive coupling that can be ideally realized and the degree of maximum inductive coupling that can be achieved in simulation. Nor does it necessarily mean the maximum degree of inductive coupling designed or feasible in prototypes and actual products. The effect of the above invention is not intended to exclude from the present invention a plasma generator in which the degree of inductive coupling is not maximized due to cost, product design, balance with other functions, and various other reasons.
It is sufficient that the present invention has the effect of suppressing the degree of electrostatic coupling between the antenna coil and plasma without reducing the degree of inductively coupled between the antenna coil and plasma as much as possible.
以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施形態１）
図１は本実施形態１に係るプラズマ発生装置の構成例を示すブロック図である。実施形態１に係るプラズマ発生装置は、ＩＣＰ型のプラズマ発生装置である。プラズマ発生装置は、真空管１内にプラズマを発生させるためのアンテナコイル２と、アンテナコイル２に高周波電圧を印加する高周波電源３と、アンテナコイル２及び高周波電源３間に設けられたインピーダンス整合回路４とを備える。
このようなプラズマ発生装置では、高周波電源３から出力する高周波電圧及び高周波電流がインピーダンス整合回路４を介してアンテナコイル２に供給されるので、アンテナコイル２に高周波電流が流れる。一方、真空管１内には、後述するように材料ガスが供給される。その結果、アンテナコイル２に流れる高周波電流による誘導結合よって材料ガスがプラズマ化し、プラズマが生成される。このプラズマを利用して、各種の処理（エッチング等）が行われる。
なお、高周波電源３から出力する高周波電圧の周波数は、１～３ＭＨｚ程度である。しかし、これに限定されるものではなく、プラズマを発生させるために適した周波数であれば、上記に示した周波数以外でもよい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing the embodiments thereof.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a plasma generator according to the first embodiment. The plasma generator according to the first embodiment is an ICP type plasma generator. The plasma generator includes an
In such a plasma generator, the high frequency voltage and high frequency current output from the high
The frequency of the high frequency voltage output from the high
図２は真空管１及びアンテナコイル２の構成例を示す斜視図、図３はファラデーシールド膜５の構成例を示す斜視図、図４は真空管１及びアンテナコイル２の構成例を示す側断面図、図５は真空管１及びアンテナコイル２の構成例を示す軸断面図である。真空管１は、材料ガスが流入する流入口１ａと、プラズマ化したガスが流出する流出口１ｂとを両端側に有する管状である（図１参照）。真空管１は、例えば石英、アルミナ等の非導電性材料からなる。真空管１の内径及び外径は、例えば約７６ｍｍ及び約８０ｍｍであり、厚みが約２ｍｍである。真空管１の長手方向の長さは例えば約３１０ｍｍである。
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of the
真空管１の外周面には、図３に示すように導電性材料からなるファラデーシールド膜５が形成されている。ファラデーシールド膜５は、銅等の導電性材料を真空管１の外周面に溶射することによって成膜される。ファラデーシールド膜５の厚みは、例えば、約１０μｍ以上３００μｍ未満、好ましくは約１０μｍ以上１００μｍ未満である。なお、上記膜厚の範囲は、１０μｍ、１００μｍ、３００μｍを基準値として、公差を許容するものである。例えば、約１０μｍ以上３００μｍ未満には、公差の範囲で１０μｍより薄いファラデーシールド膜５、３００μｍより厚いファラデーシールド膜５も含まれる。また、約１０μｍ以上１００μｍ未満には、公差の範囲で１０μｍより薄いファラデーシールド膜５、１００μｍより厚いファラデーシールド膜５も含まれる。
また、１０μｍオーダでファラデーシールド膜５の厚みを調整することができる。
As shown in FIG. 3, a
Further, the thickness of the
なお、ファラデーシールド膜５の厚みが１０μｍ程度あれば、アンテナコイル２とプラズマとの静電結合の度合いを抑制することが可能である。
また、ファラデーシールド膜５の厚みが厚くなるにつれて、アンテナコイル２とプラズマとの誘導結合の度合いが低下していき、ファラデーシールド膜５の厚みが１００μｍ程度以上になると、誘導結合の度合いが低下し始める。ただし、ファラデーシールド膜５の厚みが約１００μｍまでであれば、誘導結合の低下度合いは殆ど気にする必要がないレベルである。
If the thickness of the
Further, as the thickness of the
一方、ファラデーシールド膜５は、厚みが３００μｍ程度になると溶射によって成膜することが難しくなる。厚みが３００μｍ程度になっても従来よりはファラデーシールドを薄くできるので効果的であるが、製作が難しく歩留りが悪い。そのため、３００μｍ程度が上限値となる。厚みが１００μｍ程度であれば、溶射によって成膜することが容易である。
On the other hand, when the thickness of the
ここで、表１を参照すると、アンテナコイル２と真空管１の外周面との距離が３００μｍの場合（ファラデーシールド膜５の厚みが３００μｍの場合において、ファラデーシールド膜５が無い箇所におけるアンテナコイル２と真空管１の外周面との距離に相当）には、誘導結合の度合いが約３％しか低下しない。
同様に、表１を参照すると、アンテナコイル２と真空管１の外周面との距離が１００μｍの場合（ファラデーシールド膜５の厚みが１００μｍの場合において、ファラデーシールド膜５が無い箇所におけるアンテナコイル２と真空管１の外周面との距離に相当）には、誘導結合の度合いが約０．７％しか低下しない。
当然ながら、アンテナコイルと真空管の外周面との距離が１００μｍ未満の場合は、誘導結合の低下度合いは更に低くなる。
Here, referring to Table 1, when the distance between the
Similarly, referring to Table 1, when the distance between the
As a matter of course, when the distance between the antenna coil and the outer peripheral surface of the vacuum tube is less than 100 μm, the degree of decrease in inductive coupling is further reduced.
ファラデーシールド膜５は真空管１の軸方向に長い帯状であり、複数形成されている。例えば５本のファラデーシールド膜５が形成されており、各ファラデーシールド膜５は互いに周方向に離隔している。ファラデーシールド膜５の数は一例であり、特に限定されるものでは無い。ファラデーシールド膜５の長手方向の長さは、アンテナコイル２が真空管１に巻回される長手方向の長さよりも幅広である。
The
また、真空管１に形成されたファラデーシールド膜５は、図２に示すように、絶縁膜６に覆われている。絶縁膜６は、セラミック、アルミナ（酸化アルミニウム）等の非導電性材料を真空管１の外周面に溶射することによって成膜される。絶縁膜６は、厚みが１０μｍ程度あれば、アンテナコイル２及びファラデーシールド膜５の放電を抑制することが可能である。
例えば、２０℃におけるアルミナの体積抵抗率は、１０14［Ω・ｃｍ］超なので、１０μｍの厚さのアルミナの薄膜を２０ｃｍ×１０ｃｍ角に形成した場合、抵抗値は約５００［ＭΩ］となり、絶縁材として十分な機能を有することが分かる。
Further, the
For example, the volume resistivity of alumina at 20 ° C is more than 10 14 [Ω · cm], so when a thin film of alumina with a thickness of 10 μm is formed into a 20 cm × 10 cm square, the resistance value is about 500 [MΩ]. It can be seen that it has a sufficient function as an insulating material.
一方、絶縁膜６は、厚みが３００μｍ程度になると溶射によって成膜することが難しくなる。そのため、３００μｍ程度が上限値となる。厚みが１００μｍ程度であれば、溶射によって成膜することが容易である。
なお、上記絶縁膜６の膜厚の範囲は、１００μｍ、３００μｍを基準値として、公差を許容するものである。例えば、１００μｍ程度には、公差の範囲で１００μｍより薄い又は厚い絶縁膜６も含まれる。また、３００μｍ程度の膜厚には、公差の範囲で３００μｍより薄い又は厚い絶縁膜６も含まれる。
On the other hand, when the thickness of the insulating
The range of the film thickness of the insulating
上記のように、ファラデーシールド膜５及び絶縁膜６は、それぞれ３００μｍ程度の厚みまでであれば成膜できるが、膜の厚みが増すほどアンテナコイルと真空管の外周面との距離が離れていき、ひいては、誘導結合の度合いが低下していく。
そのため、ファラデーシールド膜５及び絶縁膜６の厚みの上限は、各膜の厚みの合計が、例えば３００μｍ未満となるように設定すると良い。好ましくは、各膜の厚みの合計が、２００μｍ未満となるように設定すると良い。
As described above, the
Therefore, the upper limit of the thickness of the
表１に示したシミュレーション条件では、各膜の厚みの合計が３００μｍであれば、誘導結合の低下度合いを約３％程度に抑えることができる。また、各膜の厚みの合計が１００μｍであれば、誘導結合の低下度合いを約０．７％程度に抑えることができる。 Under the simulation conditions shown in Table 1, if the total thickness of each membrane is 300 μm, the degree of decrease in inductive coupling can be suppressed to about 3%. Further, when the total thickness of each film is 100 μm, the degree of decrease in inductively coupled can be suppressed to about 0.7%.
なお、ファラデーシールド膜５は、溶射によって成膜するだけでなく、メッキ等によって真空管１の外周面に成膜してもよい。メッキの場合も銅等の導電性材料が用いられる。なお、メッキの場合は、厚みが１０μｍ以上かつ１００μｍ以下のファラデーシールド膜５を成膜することができる。また、メッキの場合も溶射と同様の効果を得ることができる。なお、上記１０μｍは膜厚の基準値を示すものであり、公差の範囲で１０μｍより薄いファラデーシールド膜５も本実施形態１に含まれる。同様に、１００μｍは膜厚の基準値を示すものであり、公差の範囲で１００μｍより厚いファラデーシールド膜５も本実施形態１に含まれる。
また、１０μｍオーダでファラデーシールド膜５の厚みを調整することができる。
The
Further, the thickness of the
絶縁膜６は、真空管１の周方向全周を覆っており、長手方向の長さは、ファラデーシールド膜５の長手方向の長さよりも長く、ファラデーシールド全体を覆っている。また、真空管１の周方向、２本のファラデーシールド膜５の間に形成された絶縁膜６の少なくとも一部は、アンテナコイル２に接触している。後述するようにアンテナコイル２の内部には冷媒が通流しており、絶縁膜６とアンテナコイル２との接触性を向上させることにより、真空管１の熱をより効率的に放射することができる。なお、絶縁膜６は真空管１の軸方向全体を覆うように形成しても良い。
The insulating
また、ファラデーシールド膜５及び絶縁膜６を真空管１の外周面に形成した際の軸断面は可能な限り真円である方が望ましいが、ファラデーシールド膜５を形成した後に絶縁膜６を形成するので、凹凸が生じる場合がある。
Further, it is desirable that the axial cross section when the
図６は、ファラデーシールド膜５及び絶縁膜６の平坦化処理方法を示す概念図である。なお、図６は、軸断面の一部を拡大するとともに、真空管１の外周面を直線的に表したイメージ図である。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a method for flattening the
図６Ａはファラデーシールド膜５及び絶縁膜６の理想的な状態を示している。図６Ａに示すように、成膜されたファラデーシールド膜５及び絶縁膜６の表面は凹凸が殆ど無いのが理想である。
しかし、図６Ｂに示すように、絶縁膜６表面の凹凸の度合いが大きい場合、図６Ｃ～図６Ｅに示す平坦化処理を行うと良い。
FIG. 6A shows the ideal state of the
However, as shown in FIG. 6B, when the degree of unevenness on the surface of the insulating
図６Ｃは、図６Ｂに示す状態から絶縁膜６の表面を研磨することによって凹凸の度合いを低減させる平坦化処理を行った状態を示している。この場合は、研磨によって絶縁膜６の厚みが薄くなるため、研磨を見越して絶縁膜６を厚めに形成しておくと良い。
FIG. 6C shows a state in which a flattening treatment is performed to reduce the degree of unevenness by polishing the surface of the insulating
図６Ｄは、図６Ｂに示す状態から凹凸の度合いが低減するように凹部に第２の絶縁膜６ａを更に形成する処理を行った状態を示している。凹凸はファラデーシールド膜５の厚みに近い厚みであると考えられるので、更に形成する絶縁膜６の厚みは、ファラデーシールド膜５の厚みを目安にすればよい。
FIG. 6D shows a state in which a second
図６Ｅは、図６Ｄに示す状態から絶縁膜６の表面を研磨することによって凹凸の度合いを低減させる平坦化処理を行った状態を示している。図６Ｄに示した絶縁膜６の表面をより平坦化させることができる。図６Ｅの処理は必須では無いが、かかる処理を行ってもよい。
FIG. 6E shows a state in which a flattening treatment is performed to reduce the degree of unevenness by polishing the surface of the insulating
アンテナコイル２は、真空管１の外周側、流入口１ａ側から流出口１ｂ側に亘って巻回されている。アンテナコイル２は、例えば銅等の導電性材料からなるエッジワイズコイルであり、図３に示すように、アンテナコイル２を構成する導線の断面は矩形状である。アンテナコイル２を構成する導線の内部には、冷媒が通流する冷媒流路２ａが形成されており、アンテナコイル２の一端から他端へ冷媒が通流するように構成されている。
アンテナコイル２を構成する導線は絶縁膜６に対して熱的に接触している。より具体的には、当該導線は絶縁膜６に対して面接触している。アンテナコイル２は絶縁膜６に対して直接的に接触していても良いし、熱伝導材料を介して絶縁膜６に接触していても良い。なお、熱伝導材料は、非導電性材料であり、好ましくは弾性を有する。
The
The conducting wire constituting the
また、真空管１の軸方向におけるアンテナコイル２の導線部分の間隙には、アンテナコイル２又は真空管１の熱を放熱する放熱部材７を備える。放熱部材７はアンテナコイル２及び絶縁膜６に対して熱的に接触している。放熱部材７は、弾性を有する非導電性材料（例えばシリコン樹脂）が好ましいが、弾性を有しない非導電性材料（例えばセラミックを溶かした接着剤）を用いることも可能である。放熱部材７としてシリコン樹脂を用いる場合、例えば、シリコン系の熱硬化性樹脂を、アンテナコイル２の導線部分の間隙に塗布し、熱硬化させることによって放熱部材７が形成される。
Further, a
このように構成された実施形態１に係るプラズマ発生装置によれば、真空管１の外周面にファラデーシールド膜５を形成することにより、従来の金属板の場合よりもアンテナコイル２を真空管１に近づけることができる。ひいては従来の金属板の場合よりもアンテナコイル２を真空管１内で発生するプラズマに近づけることができる。そのため、アンテナコイル２とプラズマとの静電結合の度合いを抑制しつつ、アンテナコイル２とプラズマとの誘導結合の度合いを最大化することができる。
According to the plasma generator according to the first embodiment configured as described above, by forming the
また、ファラデーシールド膜５は、溶射によって形成された膜厚１０μｍ以上１００μｍ未満の薄膜層であるため、真空管１の近傍にアンテナコイル２を配することができ、アンテナコイル２とプラズマとの誘導結合の度合いを向上させることができる。
Further, since the
更に、ファラデーシールド膜５を絶縁膜６で覆っているため、アンテナコイル２及びファラデーシールド間の放電を抑制することができ、真空管１のより近傍にアンテナコイル２を配することができる。従って、アンテナコイル２とプラズマとの誘導結合の度合いを向上させることができる。
Further, since the
更にまた、絶縁膜６は、溶射によって形成された膜厚１０μｍ以上１００μｍ未満の薄膜層であるため、真空管１の近傍にアンテナコイル２を配することができ、アンテナコイル２とプラズマとの誘導結合の度合いを向上させることができる。
Furthermore, since the insulating
更にまた、ファラデーシールド膜５を周方向に離隔して複数形成してあるため、アンテナコイル２が形成する磁場によって誘導された渦電流が、真空管１の周方向に流れないようにすることができる。
Furthermore, since a plurality of
更にまた、冷媒流路２ａを有するアンテナコイル２が絶縁膜６に対して熱的に接触している。従って、アンテナコイル２に冷媒を通流させることによって、真空管１を冷却することができる。
Furthermore, the
更にまた、アンテナコイル２はエッジワイズコイルであり、絶縁膜６に対して直接的又は間接的に面接触している。従って、真空管１をより効率的に冷却することができる。
Furthermore, the
更にまた、絶縁膜６は真空管１の周方向全周を覆っている。従って、絶縁膜６をファラデーシールド膜５部分のみに形成する場合に比べて、真空管１の外周面を均一に均すことができる。よって、アンテナコイル２及び真空管１の接触面積を大きくし、冷却性を向上させることができる。
Furthermore, the insulating
更にまた、アンテナコイル２を構成する導線部分の間隙に放熱部材７が配されている。従って、真空管１の熱は、アンテナコイル２及び放熱部材７を通じて、放出される。よって、真空管１をより効率的に冷却することができる。
Furthermore, the
更にまた、放熱部材７は弾性を有するため、アンテナコイル２の熱膨張に対応することができる。
Furthermore, since the
更にまた、放熱部材７はシリコン樹脂であるため、絶縁性と、所要の熱伝導率を担保することができる。
Furthermore, since the
なお、本実施形態１ではファラデーシールド膜５に絶縁膜６を直接溶射する例を説明したが、導電性材料（ファラデーシールド膜５）に非導電性材料（絶縁膜６）を形成すると異種接合になるので、広い範囲で絶縁膜６を形成することが困難になる可能性がある。そのような場合は、ファラデーシールド膜５の導電性材料と絶縁膜６の非導電性材料との中間的物性を有する傾斜機能材料からなる中間層をファラデーシールド膜５及び絶縁膜６間に形成しても良い。中間層も傾斜機能材料を溶射することによって形成すると良い。
同様に、真空管１（非導電性材料）にファラデーシールド膜５（導電性材料）を形成すると異種接合になるので、真空管１の非導電性材料とファラデーシールド膜５の導電性材料との中間的物性を有する傾斜機能材料からなる中間層を真空管１及びファラデーシールド膜５間に形成しても良い。
In the first embodiment, an example in which the insulating
Similarly, when the Faraday shield film 5 (conductive material) is formed on the vacuum tube 1 (non-conductive material), it becomes a heterogeneous bond, so that it is intermediate between the non-conductive material of the
アンテナコイル２としてエッジワイズコイルを例示したが、アンテナコイル２を構成する導線の断面形状は特に限定されるものでは無く、その他、任意の形状であっても良い。アンテナコイル２の断面形状は、熱伝導材料を用いて、アンテナコイル２と絶縁膜６との接触面積を増大できる形状が好ましい。
Although the edgewise coil is exemplified as the
（実施形態２）
実施形態２に係るプラズマ発生装置は、ファラデーシールド膜５の基準電位への接続に係る構成が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
Since the plasma generator according to the second embodiment has a different configuration from that of the first embodiment in that the
図７は、実施形態２に係る真空管１及びアンテナコイル２の構成例を示す斜視図である。実施形態２に係るプラズマ発生装置は、実施形態１と同様の真空管１、アンテナコイル２、ファラデーシールド膜５及び絶縁膜６等を有する。複数のファラデーシールド膜５のうち、一部のファラデーシールド膜５のみが、グランド線８を介して基準電位となる筐体（図略）に接続される。
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration example of the
ファラデーシールド膜５は、上記のように、アンテナコイル２とプラズマとの静電結合の度合いを弱めるために用いられるが、基準電位への接続の有無で静電結合の度合いが異なる。
As described above, the
基準電位に接続したファラデーシールド膜５の電位は、基準電位（通常は０［Ｖ］）で確定するので、時間的な変化が生じない。すなわち、アンテナコイル２の電位の変化に関係なく常に電位は一定値なので、基準電位に接続したファラデーシールド膜５が形成された部分では真空管１の内部に高周波電界が入り込まない。
Since the potential of the
一方、基準電位に接続していないファラデーシールド膜５の電位は確定していないので、アンテナコイル２の電位の変化に応じて電位が変化する。
そのため、基準電位に接続していないファラデーシールド膜５が形成された部分では、真空管１の内部に高周波電界が入り込む。もちろん、ファラデーシールド膜５が形成されていない部分に比べると、真空管１の内部に入り込む高周波電界の大きさは小さいが、基準電位に接続したファラデーシールド膜５の場合よりも真空管１の内部に入り込む高周波電界の大きさは大きい。
On the other hand, since the potential of the
Therefore, in the portion where the
従って、アンテナコイル２とプラズマとの間の静電結合の度合いを弱めるという目的であれば、基準電位に接続したファラデーシールド膜５を用いた方がより効果がある。
しかし、静電結合の度合いが弱まる分、プラズマの着火性が低くなる。そのため、プラズマの着火性を確保しつつ、アンテナコイル２とプラズマとの間の静電結合の度合いを弱めるという目的を達成するために、必要に応じてファラデーシールド膜５を基準電位に接続させればよい。
例えば、複数のファラデーシールド膜５のうち、基準電位に接続するファラデーシールド膜５の数を調整することによって、プラズマの着火性、静電結合の度合いを調整することができる。
Therefore, for the purpose of weakening the degree of electrostatic coupling between the
However, as the degree of electrostatic coupling weakens, the ignitability of the plasma decreases. Therefore, in order to achieve the purpose of weakening the degree of electrostatic coupling between the
For example, by adjusting the number of
ただし、真空管１の周方向における静電結合の度合いが均一でないと、真空管１内部に生じるプラズマの状態に偏りが生じて、プラズマ密度の高い部分と低い部分が生じてしまう。不均一になればなるほどプラズマ密度に差異が生じる。また、プラズマ密度が高い部分はプラズマ密度が低い部分に比べて真空管１の内壁が摩耗の度合いが高くなるので、プラズマ密度の差異が大きい程、真空管１の寿命が短くなってしまう。
However, if the degree of electrostatic coupling in the circumferential direction of the
しかし、構造上、ファラデーシールド膜５を形成する部分と形成しない部分が存在するので、静電結合の度合いを均一にすることはできない。そのため、基準電位に接続するファラデーシールド膜５を設ける場合であっても、できるだけ真空管１の周方向における静電結合の度合いを均一に近づける工夫を行うのが好ましい。
However, due to the structure, there are a portion where the
例えば、基準電位に接続したファラデーシールド膜５と、基準電位に接続していないファラデーシールド膜５とを、真空管１の周方向に沿って交互に設けると良い。
この際、基準電位に接続したファラデーシールド膜５及び基準電位に接続していないファラデーシールド膜５は、それぞれ真空管１の周方向に等間隔に複数設けることが好ましい。このようにすれば、真空管１の周方向における等方性を向上させることができ、プラズマの均一性を向上させることができる。
For example, the
At this time, it is preferable that a plurality of
なお、上記の実施形態１のような構成でも、ファラデーシールド膜５は、１の周方向に等間隔に複数設けることが好ましい。
Even in the configuration as in the first embodiment, it is preferable that a plurality of
本実施形態２では一部のファラデーシールド膜５をグランド線８によって定常的に基準電位に接続する例を説明したが、図８に示すように、ファラデーシールド膜５と基準電位との間を開閉するスイッチ８１をグランド線８に設けるとともに、スイッチの開閉を制御する制御部８２を設け、任意のタイミングでファラデーシールド膜５を基準電位となる筐体（図略）に接続するように構成しても良い。なお、この実施形態では、スイッチ８１と制御部８２とを合わせた構成が切換手段となる。
In the second embodiment, an example in which a part of the
例えば、プラズマの着火時には比較的大きな高周波電界が必要になるが、プラズマの着火後は、プラズマの着火時ほど高周波電界の大きさを必要としない。そのため、プラズマの着火後は、プラズマの着火時よりも真空管１の内部に入り込む高周波電界の大きさを小さくすることが望ましい場合がある。
For example, when the plasma is ignited, a relatively large high-frequency electric field is required, but after the plasma is ignited, the magnitude of the high-frequency electric field is not required as much as when the plasma is ignited. Therefore, after ignition of the plasma, it may be desirable to make the magnitude of the high-frequency electric field entering the inside of the
そのような場合には、プラズマの着火後に高周波電源３の出力を小さくすることで対応可能であるが、ファラデーシールド膜５の基準電位への接続の有無によっても調整することができる。
Such a case can be dealt with by reducing the output of the high
具体的には、プラズマの着火時にはスイッチ８１を開にして、ファラデーシールド膜５がグランド線８を介して基準電位となる筐体（図略）に接続しないようにする。また、プラズマの着火後は、スイッチ８１を閉にして、ファラデーシールド膜５がグランド線８を介して基準電位となる筐体（図略）に接続するようにすればよい。スイッチ８１の開閉は制御部８２において行う。
Specifically, when the plasma is ignited, the
また図８では、グランド線８を介して基準電位に接続するファラデーシールド膜５は１つであるが、複数のファラデーシールド膜５をグランド線８を介して基準電位に接続してもよい。また、切換手段があるので、全てのファラデーシールド膜５をグランド線８を介して基準電位に接続するようにしてもよい。
Further, in FIG. 8, although one
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, not the above-mentioned meaning, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
１ 真空管
１ａ 流入口
１ｂ 流出口
２ アンテナコイル
２ａ 冷媒流路
３ 高周波電源
４ インピーダンス整合回路
５ ファラデーシールド膜
６ 絶縁膜
７ 放熱部材
８ グランド線
８１ スイッチ
８２ 制御部
1 Vacuum tube 1a
Claims (3)
前記真空管の外周面に成膜された導電性材料からなるファラデーシールド膜を備え、
前記真空管と前記ファラデーシールド膜との間に中間層を有する
プラズマ発生装置。 A plasma generator including a vacuum tube into which a material gas flows and an antenna coil wound around the outer circumference of the vacuum tube to generate plasma of the material gas in the vacuum tube.
A Faraday shield film made of a conductive material formed on the outer peripheral surface of the vacuum tube is provided .
It has an intermediate layer between the vacuum tube and the Faraday shield film.
Plasma generator.
前記真空管の外周面に成膜された導電性材料からなるファラデーシールド膜と、 A Faraday shield film made of a conductive material formed on the outer peripheral surface of the vacuum tube, and
前記ファラデーシールド膜を覆う絶縁膜と With the insulating film covering the Faraday shield film
を備え、 Equipped with
前記ファラデーシールド膜と前記絶縁膜との間に中間層を有する It has an intermediate layer between the Faraday shield film and the insulating film.
プラズマ発生装置。 Plasma generator.
請求項２に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generator according to claim 2.
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