JPH064898Y2 - Plasma equipment - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、半導体工業、化学工業等において、プラズマ
を利用した薄膜生成、結晶生成、表面処理を行なう装置
に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to an apparatus for performing thin film formation, crystal formation, and surface treatment using plasma in the semiconductor industry, chemical industry, and the like.

［従来の技術］ 従来、この種のプラズマ装置としては、第５図に示すも
のがある。１はマイクロ波発生器、２は導波管、３はア
イソレータ、４はスタブチューナー、５はアプリケー
タ、５ー１はガス注入口、５ー２は反応室６との接続用
パイプ、７はアイソレータ３に付属する負荷、８は膜を
生成させるベース、９はベース８を加熱するヒータ、１
０はアプリケータ５を真空に保つための仕切り窓、マイ
クロ波損失の少ない材料が用いられる。[Prior Art] Conventionally, as a plasma device of this type, there is one shown in FIG. 1 is a microwave generator, 2 is a waveguide, 3 is an isolator, 4 is a stub tuner, 5 is an applicator, 5-1 is a gas inlet, 5-2 is a pipe for connecting to the reaction chamber 6, and 7 is A load attached to the isolator 3, 8 is a base for forming a film, 9 is a heater for heating the base 8, 1
0 is a partition window for keeping the applicator 5 in a vacuum, and a material with a small microwave loss is used.

マイクロ波発振器１で発生したマイクロ波は導波管２、
アイソレータ３を通りスタブチューナ４を通過した後、
アプリケータ５に伝送され、その中でプラズマを発生さ
せる。アプリケータ５へ効率よくマイクロ波を伝送する
為、スタブチューナ４を調整する。それでもなおマイク
ロ波発振器１側へ戻ってくるマイクロ波は、アイソレー
タ３で９０゜その進行方向が曲げられ、負荷７で吸収さ
れる。The microwave generated by the microwave oscillator 1 is guided by the waveguide 2,
After passing through the isolator 3 and the stub tuner 4,
It is transmitted to the applicator 5 and plasma is generated therein. The stub tuner 4 is adjusted to efficiently transmit microwaves to the applicator 5. Nevertheless, the microwave returning to the microwave oscillator 1 side is bent by 90 degrees in the isolator 3 and absorbed by the load 7.

アプリケータ５はTE_11n（例えばTE₁₁₁，TE₁₁₂）タイプ
の円筒形共振器が、励振の容易さから通常用いられるこ
とが多い。アプリケータ５内のガス（今回の例ではN₂）
は、プラズマ化され、反応室６に導かれ、シランSiH₄と
反応して、ベース８の上にSi₃N₄膜が生成される。ヒー
タ９は、ベース８を加熱して、膜生成を容易にする。As the applicator 5, a TE _11n (for example, TE ₁₁₁ , TE ₁₁₂ ) type cylindrical resonator is often used because it is easily excited. Gas in the applicator 5 (N _{2 in} this example)
Is plasmatized, introduced into the reaction chamber 6 and reacted with silane SiH ₄ to form a Si ₃ N ₄ film on the base 8. The heater 9 heats the base 8 to facilitate film formation.

［考案が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記プラズマ装置によれば、次の問題点
がある。[Problems to be Solved by the Invention] However, the above plasma device has the following problems.

第６図に第５図のＡ−Ａ′矢視図を示す。１１はT
E₁₁₁，TE₁₁₂等TE_11n形アプリケータ５の電界分布を示
す。FIG. 6 shows an AA ′ arrow view of FIG. 11 is T
The electric field distribution of the TE _{11n type} applicator 5 such as E ₁₁₁ and TE ₁₁₂ is shown.

第７図に仕切り窓１０付近（導波管側）の電界分布１２
を示す。Ｅはその方向を示す。例えば、マイクロ波周波
数：２４５０MHz、アプリケータ５の共振モード：T
E₁₁₂、ガス圧：５〜５０torrの状態では、マイクロ波出
力が約１kW以上になると、第７図の１３の様に、仕切り
窓１０の真空側（アプリケータ側）の表面にプラズマが
付着する様にある。従って長時間プラズマを発生させる
と、仕切り窓１０が割れたり、溶ける等の不具合が発生
する。そのため、共振空胴のアプリケータ内に真空容器
を設け、アプリケータ内は大気圧に保ち、プラズマ放電
の発生を抑えるとともに、真空容器内にプラズマを発生
させる構造が提案されてきた。しかし、この方法では真
空容器内で発生するプラズマを制御することが困難で、
高密度のプラズマを得ることができなかった。また、マ
イクロ波をプラズマに効率よく結合させるための調整機
構を有しておらず、プラズマ負荷が変動すると、大きな
マイクロ波反射電力が発生するという問題があった。FIG. 7 shows the electric field distribution 12 near the partition window 10 (waveguide side).
Indicates. E indicates the direction. For example, microwave frequency: 2450 MHz, applicator 5 resonance mode: T
When the microwave output becomes about 1 kW or more in the state of E ₁₁₂ and gas pressure: 5 to 50 torr, plasma adheres to the vacuum side (applicator side) surface of the partition window 10 as shown by 13 in FIG. There is. Therefore, when plasma is generated for a long time, the partition window 10 may be broken or melted. Therefore, a structure has been proposed in which a vacuum container is provided in the applicator of the resonance cavity, the inside of the applicator is kept at atmospheric pressure to suppress generation of plasma discharge, and plasma is generated in the vacuum container. However, it is difficult to control the plasma generated in the vacuum container with this method,
High density plasma could not be obtained. In addition, there is a problem that a large microwave reflected power is generated when the plasma load fluctuates because there is no adjustment mechanism for efficiently coupling the microwave to the plasma.

本考案の目的は、上記問題点を解決するものであり、ア
プリケータ内に設けた真空容器内で、広範囲に均一な薄
膜、結晶等を生成しうるプラズマを発生できると同時
に、プラズマ負荷の変動に対しても速やかに対応できる
装置を提供することにある。The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and in the vacuum container provided in the applicator, it is possible to generate a plasma capable of forming a uniform thin film, crystal, etc. in a wide range, and at the same time, to fluctuate the plasma load. It is to provide a device capable of promptly responding to.

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために本考案は、共振空胴内に、
電磁波透過性のある材料で構成した真空容器を設け、真
空容器内にガスを注入し、前記共振空胴内に電磁波を供
給し、前記真空容器内にプラズマを発生させることによ
り母材表面上へ薄膜生成、結晶の生成、あるいは表面処
理を行うプラズマ装置において、前記共振空胴の前記電
磁波の進行方向に対して垂直方向に短絡板を設け、かつ
該短絡板を可動とし、共振空胴の共振電界が最大となる
位置を、真空容器の位置に一致させることを可能とした
ものである。[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the present invention provides a resonance cavity in which:
A vacuum container made of a material having electromagnetic wave permeability is provided, a gas is injected into the vacuum container, an electromagnetic wave is supplied into the resonance cavity, and plasma is generated in the vacuum container to cause the surface of the base material. In a plasma device that performs thin film formation, crystal formation, or surface treatment, a short-circuit plate is provided in a direction perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave in the resonance cavity, and the short-circuit plate is movable to resonate the resonance cavity. The position where the electric field is maximum can be made to coincide with the position of the vacuum container.

［実施例］ 以下、本考案の実施例について説明する。[Embodiment] An embodiment of the present invention will be described below.

第１図は、本考案に係るプラズマ装置の第１実施例（TE
₁₁₂モード）を示す縦断面図である。１４は真空容器
（例えばベルジャー）、材質は石英ガラス，セラミック
ス等低損失材料、１５はシリコンゴム等、低損失材料の
真空パッキン、１６は真空容器１４内を真空にすると
き、パッキン１５が内側に変形するのを防止するリング
である。材質は金属、その他ガスを発生させないで高温
に耐えるものであれば用いることができる。１７は真空
容器１４内にガスを注入する為の低損失材料で作られた
パイプ、１８は真空容器１４とパイプ１７を固定する低
損失材料のバンド、１９は真空容器１４の台を兼ねる短
絡板、２０は短絡板１９を固定するビス、２１は短絡板
１９を動かす為に用いる金具、２２はプラズマを反応
室、排気ポンプに導く為のパイプ、２３はプラズマ状態
観察用パイプである。１１はTE₁₁₂モードの電界分布を
示す。FIG. 1 shows a first embodiment (TE of a plasma device according to the present invention.
FIG. 11 is a vertical sectional view showing ( ₁₁₂ mode). 14 is a vacuum container (for example, bell jar), material is low loss material such as quartz glass, ceramics, 15 is vacuum packing of low loss material such as silicon rubber, 16 is packing 15 inside when the vacuum container 14 is evacuated. It is a ring that prevents deformation. As a material, any metal can be used as long as it can withstand a high temperature without generating a gas. Reference numeral 17 is a pipe made of a low-loss material for injecting gas into the vacuum container 14, 18 is a band of low-loss material for fixing the vacuum container 14 and the pipe 17, and 19 is a short-circuit plate which doubles as a base of the vacuum container 14. 20 is a screw for fixing the short-circuit plate 19, 21 is a metal fitting used for moving the short-circuit plate 19, 22 is a pipe for guiding plasma to the reaction chamber and the exhaust pump, and 23 is a plasma state observation pipe. Reference _numeral 11 shows the electric field distribution in the TE ₁₁₂ mode.

図において、第５図と同一符号は同一または相当する部
分を示す。In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 5 denote the same or corresponding parts.

本考案では第５図、１０の仕切り板を使用せず、マイク
ロ波投入口３２を大気圧に保ち、投入口３２におけるプ
ラズマ放電を、真空容器１４内に比べて著しく発生が困
難な状態にしている。In the present invention, the partition plate of FIGS. 5 and 10 is not used, the microwave inlet 32 is kept at atmospheric pressure, and the plasma discharge at the inlet 32 is made much more difficult to generate than in the vacuum container 14. There is.

マイクロ波周波数２４５０MHz、共振モードTE₁₁₂では４
kW以上のマイクロ波を投入することが可能である。アプ
リケータ５は予め、マイクロ波の進行方向に対して垂直
方向に設けられた短絡板１９を移動させて、バンド１８
の位置が共振電界の最小点、すなわち、共振軸長１の1/
2付近とし、共振電界の最大点が真空容器１４内に位置
するように調整し、ビス２０で固定しておく。パイプ１
７から真空容器１４内に反応ガスが注入され、マイクロ
波を投入すると、真空容器１４内にプラズマが発生す
る。このとき、マイクロ波の共振電界の最高点が真空容
器内に位置するように調整されているため、高密度のプ
ラズマを得ることができる。パイプ１７をアプリケータ
５内で９０°曲げ、アプリケータ５の壁に小さい穴をあ
け、そこからガスを真空容器１４内に出してもよい。３
３，３４は台を兼ねる短絡板１９を冷却する為、冷却水
の給水、排水を行なうパイプである。冷却の目的は、パ
ッキン１５の過熱防止である。Microwave frequency 2450MHz, resonance mode TE ₁₁₂ 4
It is possible to input microwaves of kW or more. The applicator 5 previously moves the short-circuit plate 19 provided in the direction perpendicular to the traveling direction of the microwave to move the band 18
Is the minimum point of the resonance electric field, that is, 1 / resonance axis length 1
It is set to about 2 and is adjusted so that the maximum point of the resonance electric field is located in the vacuum container 14, and is fixed with a screw 20. Pipe 1
When a reaction gas is injected into the vacuum container 14 from 7 and a microwave is applied, plasma is generated in the vacuum container 14. At this time, since the highest point of the resonance electric field of the microwave is adjusted to be located inside the vacuum container, high density plasma can be obtained. The pipe 17 may be bent 90 ° in the applicator 5 and a small hole may be drilled in the wall of the applicator 5 from which the gas may exit into the vacuum vessel 14. Three
Reference numerals 3 and 34 are pipes for supplying and draining cooling water for cooling the short-circuit plate 19 which also serves as a base. The purpose of cooling is to prevent the packing 15 from overheating.

第２図は、本考案に係るプラズマ装置の第２実施例を示
す縦断面図である。FIG. 2 is a vertical sectional view showing a second embodiment of the plasma device according to the present invention.

１７′はガス注入用パイプ、２４は真空容器内にガスを
拡散させるパイプである。図において、第１図と同一符
号は同一または相当する部分を示す。Reference numeral 17 'is a gas injection pipe, and 24 is a pipe for diffusing gas in the vacuum container. In the figure, the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts.

第２実施例では、ガス注入用パイプ１７′が真空容器１
４の台を兼ねる短絡板１９に取付けられ、短絡板１９か
ら真空容器１４内に延長されたガス拡散用パイプ２４に
よりガスが導入される構造になっている。この短絡板１
９は、共振電界の最大点が真空容器１４内に位置するよ
うに予め調整し、ビス２０で固定してある。In the second embodiment, the gas injection pipe 17 'is the vacuum container 1
It is attached to the short-circuit plate 19 which also serves as the base of 4, and has a structure in which gas is introduced from the short-circuit plate 19 by a gas diffusion pipe 24 extended into the vacuum container 14. This short circuit board 1
9 is adjusted in advance so that the maximum point of the resonance electric field is located in the vacuum container 14, and is fixed with a screw 20.

第３図(a)は、本考案の第３実施例におけるプラズマ装
置を示す縦断面図である。FIG. 3 (a) is a vertical sectional view showing a plasma device according to a third embodiment of the present invention.

１９′は真空容器の台であるとともにアプリケータの壁
面の一部を形成している。２５は台１９′をアプリケー
タ５に固定するボルト、２６は導波管内を伝送してきた
マイクロ波をアプリケータ５に効率よく供給するアイリ
ス板、２７は可変短絡板、２８は可変短絡板を動かす為
の金具、２９は可変短絡板を固定するビスである。図に
おいて、第２図と同一符号は同一または相当する部分を
示す。第３実施例では、方形空胴共振器のアプリケータ
５に応用したもので、マイクロ波の進行方向は真空容器
１４に対して第２実施例と比べて直角方向になってい
る。予め、可変短絡板２７を移動させてアプリケータ５
の共振電界の最大点が、真空容器１４の中心に位置する
ように調節された後、ビス２９で固定され、アプリケー
タ５のマイクロ波進行方向に対する垂直断面の電界分布
は第３図(b)のようになっている。１１′は電界分布、
Ｅは電界の方向、Ｈは磁界の方向である。Reference numeral 19 'is a base of the vacuum container and also forms a part of the wall surface of the applicator. Reference numeral 25 is a bolt for fixing the table 19 'to the applicator 5, 26 is an iris plate for efficiently supplying the microwave transmitted through the waveguide to the applicator 5, 27 is a variable short-circuit plate, and 28 is a variable short-circuit plate. Metal fittings 29 are screws for fixing the variable short-circuit plate. In the figure, the same reference numerals as in FIG. 2 indicate the same or corresponding parts. The third embodiment is applied to the applicator 5 of the rectangular cavity resonator, and the traveling direction of the microwave is perpendicular to the vacuum container 14 as compared with the second embodiment. In advance, the variable short circuit plate 27 is moved to move the applicator 5
Is adjusted so that the maximum point of the resonance electric field is located at the center of the vacuum container 14 and then fixed by the screw 29, and the electric field distribution of the cross section perpendicular to the microwave traveling direction of the applicator 5 is shown in FIG. 3 (b). It looks like. 11 'is the electric field distribution,
E is the direction of the electric field, and H is the direction of the magnetic field.

第４図は、本考案の第４実施例におけるプラズマ装置を
示す縦断面図である。３０はシリコンウエハー、３１は
シリコンウエハー等母材の保持台である。図において第
１図と同一符号は同一または相当する部分を示す。第４
実施例においては、真空容器１４内で発生したプラズマ
を別に設けた反応室に導入する事をせずに、真空容器１
４内に直接石英ガラスやセラミックス等低損失材料で構
成された母材保持台３１を取付けて、該保持台３１上に
載置したシリコンウエハー３０上にダイヤモンド膜を生
成させるようにしたものである。この場合ガスとしては
水素とメタンを用いているが、他のガスを使用する事に
より室化膜等の薄膜を生成することも可能である。この
場合も、短絡板１９は、第１図同様、予め、移動させて
バンド１８の位置が、共振電界の最小点、すなわち、共
振軸長１の1/2付近とし、共振電界の最大点が真空容器
１４内に位置するように調整し、ビス２０で固定してお
く。FIG. 4 is a vertical sectional view showing a plasma device according to a fourth embodiment of the present invention. Reference numeral 30 is a silicon wafer, and 31 is a base for holding a base material such as a silicon wafer. In the figure, the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts. Fourth
In the embodiment, the plasma generated in the vacuum container 14 is not introduced into a separate reaction chamber, and the vacuum container 1
A base material holder 31 made of a low-loss material such as quartz glass or ceramics is directly attached to the inside of 4, and a diamond film is formed on a silicon wafer 30 placed on the holder 31. . In this case, hydrogen and methane are used as the gas, but it is also possible to form a thin film such as a chamber film by using another gas. Also in this case, as in FIG. 1, the short-circuit plate 19 is moved in advance so that the position of the band 18 is at the minimum point of the resonance electric field, that is, near 1/2 of the resonance axis length 1, and the maximum point of the resonance electric field is. It is adjusted so as to be located in the vacuum container 14 and fixed with screws 20.

薄膜等の生成中に、プラズマ負荷が変動した場合にも、
短絡板１９を移動させて、マイクロ波をプラズマに効率
よく結合するように調整することができる。Even if the plasma load fluctuates during the generation of thin films,
The shorting plate 19 can be moved and adjusted to efficiently couple the microwaves to the plasma.

［考案の効果］ 以上説明したように、本考案に係るプラズマ装置によれ
ば、可動短絡板の位置を移動することによって、アプリ
ケータ（共振空胴）内に設けた真空容器内に、投入した
マイクロ波の共振電界の最大点を移動させることが可能
となり、高密度のプラズマを得ることができる。すなわ
ち、プラズマによる薄膜生成、結晶成長、表面処理を促
進することができる。また、短絡板を調整することで、
マイクロ波をプラズマに効率よく結合させることがで
き、プラズマ負荷が変動した場合でも速やかに対応する
ことができる。[Advantage of the Invention] As described above, according to the plasma device of the present invention, the position of the movable short-circuit plate is moved so that the movable short-circuit plate is placed in the vacuum container provided in the applicator (resonance cavity). It becomes possible to move the maximum point of the resonance electric field of the microwave, and high density plasma can be obtained. That is, it is possible to promote thin film formation by plasma, crystal growth, and surface treatment. Also, by adjusting the short-circuit plate,
The microwaves can be efficiently coupled to the plasma, and even when the plasma load changes, it is possible to quickly respond.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図は、本考案に係るプラズマ装置の第１実施例を示
す共振器縦断面図である。 第２図は、本考案に係るプラズマ装置の第２実施例を示
す共振器縦断面図である。 第３図(a)は、本考案に係るプラズマ装置の第３実施例
で、マイクロ波進行方向と平行な共振器縦断面図を示
し、第３図(b)はマイクロ波進行方向と垂直な共振器縦
断面図で共振器内の電磁気力線を示す状態図である。 第４図は、本考案に係るプラズマ装置の第４実施例を示
す共振器縦断面図である。 第５図は、従来のプラズマ装置の一例を示す概略図であ
る。 第６図は、第５図中Ａ−Ａ′に沿って切断した矢視図で
共振器内の電気力線を示す状態図である。 第７図は、第５図中の仕切板付近の電界分布を示す状態
図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a resonator showing a first embodiment of a plasma device according to the present invention. FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a resonator showing a second embodiment of the plasma device according to the present invention. FIG. 3 (a) is a longitudinal cross-sectional view of a resonator parallel to the microwave traveling direction in a third embodiment of the plasma device according to the present invention, and FIG. 3 (b) is vertical to the microwave traveling direction. FIG. 6 is a state diagram showing electromagnetic force lines in the resonator in a longitudinal sectional view of the resonator. FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a resonator showing a fourth embodiment of the plasma device according to the present invention. FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a conventional plasma device. FIG. 6 is a state diagram showing the lines of electric force in the resonator in the arrow view taken along the line AA ′ in FIG. FIG. 7 is a state diagram showing an electric field distribution near the partition plate in FIG.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項１】共振空胴内に、電磁波透過性のある材料で
構成した真空容器を設け、該真空容器内にガスを注入
し、前記共振空胴内に電磁波を供給し、前記真空容器内
にプラズマを発生させることにより母材表面上へ薄膜生
成、結晶の生成、あるいは表面処理を行うプラズマ装置
において、 前記共振空胴の前記電磁波の進行方向に対して垂直方向
に短絡板を設け、かつ該短絡板を可動としたことを特徴
とするプラズマ装置。1. A resonance container is provided with a vacuum container made of a material having electromagnetic wave permeability, a gas is injected into the vacuum container, and electromagnetic waves are supplied into the resonance cavity. In the plasma device for generating a thin film on the surface of the base material by generating plasma, crystal formation, or surface treatment, a short-circuit plate is provided in a direction perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic waves of the resonance cavity, and A plasma device in which the short-circuit plate is movable.