JP2000306901A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 永久磁石の小形にして大形化に伴う問題を解
消すること。 【構成】 永久磁石３が電子加熱空間室部１において誘
電体６のマイクロ波導出部６ａで電子サイクロトロン共
鳴磁場を越える大きさの磁場を形成すると共に、そこか
ら電子加熱空間室部１とプラズマ生成空間室部２との境
界付近の点１４で０の磁場となるので、永久磁石３によ
る磁場強度分布が急峻に減衰し、そのため、電子サイク
ロトロン共鳴層１２の位置１２ａ〜１２ｃでは、マイク
ロ波のほとんどを電子に吸収させて電子を加熱すること
ができる結果、高エネルギー電子にさせることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波を伝送
してプラズマを発生させ、該プラズマ中のイオンを対象
物に照射して対象物の表面を所望形状に処理するプラズ
マ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のマイクロ波プラズマ生成装置の
従来技術としては、例えば、「ジャーナル オブ バキ
ューム サイエンス アンド テクノロジー（Ｊ．Ｖａ
ｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ９（１），Ｊａｎ／Ｆ
ｅｂ １９９１」の第２６頁〜第２８頁において報告さ
れてたものがある。これには、同誌第２９〜第３３頁に
記載され、かつ第一の静磁場発生手段として使用されて
いるソレノイドコイルが形成する磁場と同様な磁場を、
永久磁石によって実現できることが記載されている。こ
の例では、ソレノイドコイル磁場に置き換えるため、永
久磁石が巨大なものとなっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来技術で
は、第一の静磁場発生手段としての永久磁石が巨大なも
のとなっているので、以下に述べる問題点がある。

【０００４】即ち、まず、永久磁石の製造コストがそれ
だけ高くなる問題がある。また永久磁石から離れた位置
の磁場の減衰割合が小さく、被処理物上で大きな磁場が
残留することとなり、そのため、磁場に敏感な物質とし
て、例えば磁性膜の加工等には不向きとなる問題があ
る。さらに、巨大な永久磁石では磁場強度の減衰が小さ
く、空間における磁場勾配がなだらかなため、マイクロ
波の伝搬，吸収の空間的変動が大きく、放電が不安定に
なると云う問題もある。そして、イオン源として利用し
た場合、イオン引き出し電極付近に磁場が残留するた
め、イオンの軌道が曲げられる結果、イオンビームが発
散すると云う問題がある。しかも、イオンビームを被処
理物に照射する際、被処理部が帯電しないように同量の
電子で中和する必要があるが、電子は磁場を横断するこ
とが難しいため、イオンビームの外周から電子を供給し
ようとすると、ビームの中心部まで十分に電子を供給す
ることができない問題がある。

【０００５】一般に、プラズマの質という点では、プラ
ズマを大面積で均一にするため、第一の静磁場発生手段
による強磁場中で生成されたプラズマを、第二の静磁場
発生手段による表面磁場に囲まれた弱磁場領域に拡散さ
せているので、大多数の生成イオンが磁場を横切ること
になり、プラズマ電位の勾配で加速されたイオンが熱化
されるため、イオンは高い。また、磁場中でのサイクロ
トロン半径の相違から、イオン種の分離が生じ、これに
加え、プラズマ処理装置とした場合には、プラズマと同
時に生成されるラジカルが、電磁場によって一様化され
ないため、プラズマ処理が不均一になると云う問題もあ
る。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術の問題点に
鑑み、永久磁石を小形化して安価でかつ磁性膜の加工用
途にも確実に利用することができ、広範囲で均一なプラ
ズマを安定して生成することができるプラズマ処理装置
及びプラズマ処理方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、内部にプラ
ズマが生成されるプラズマ生成室と、該プラズマ生成室
にプラズマを生成するためのマイクロ波を導入する導波
管と、該導波管の周囲に設けられ、前記マイクロ波との
相互作用によりプラズマを生成するための電子サイクロ
トロン共鳴磁場強度を有する第１の磁場発生手段と、前
記プラズマ生成室の周囲に互いに極性を順次違えて配置
され、カスプ状磁場を形成して前記プラズマを閉じ込め
る第２の磁場発生手段とを備え、前記マイクロ波と第１
の磁場発生手段の磁場により生成されたプラズマを、前
記第２の磁場発生手段のカスプ状磁場の領域に沿って前
記プラズマ生成室内に拡散させると共に、前記カスプ状
磁場によりプラズマ生成室内に閉じ込めること、で達成
される。

【０００８】また、上記目的は、前記プラズマ生成室の
側壁に前記導波管を設け、前記マイクロ波を前記プラズ
マ生成室の軸線と直交する方向から導入すると共に、生
成されたプラズマを前記第２の磁場発生手段によるカス
プ状磁場により前記プラズマ生成室内に閉じ込めるこ
と、で達成される。

【０００９】本発明では、導波管から導入されたマイク
ロ波と導波管の周囲に配置された第1の磁場発生手段に
よる電子サイクロトロン共鳴磁場との相互作用によりプ
ラズマ生成室内に均一なプラズマを生成し、このプラズ
マを、プラズマ生成室の周囲に互いに極性を順次違えて
配置された第2の磁場発生手段によるカスプ状磁場の領
域に沿って前記プラズマ生成室内に拡散させると共に、
拡散させたプラズマを前記カスプ状磁場により前記プラ
ズマ生成室内に効率的に閉じ込めることができ、これに
より均一で高密度のプラズマを安定的に形成することが
でき、プラズマ処理ができる。

【００１０】また、導波管からプラズマ生成室の軸線と
直交する方向から導入されたマイクロ波と、導波管の周
囲に配置された第1の磁場発生手段による電子サイクロ
トロン共鳴磁場との相互作用によりプラズマ生成室内に
均一なプラズマを生成し、このプラズマを、プラズマ生
成室の周囲に互いに極性を順次違えて配置された第2の
磁場発生手段によるカスプ状磁場の領域に沿って前記プ
ラズマ生成室内に拡散させると共に、拡散させたプラズ
マを前記カスプ状磁場により前記プラズマ生成室内に効
率的に閉じ込めることができ、これにより均一で高密度
のプラズマを安定的に形成することができ、プラズマ処
理ができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１乃至
図１４により説明する。図１乃至図４は本発明の第一の
実施例を示している。

【００１２】実施例のプラズマ処理装置は、図４に示す
ように、導波管５と、該導波管５の下流側に連結された
放電室１００と、該放電室の下流側に連結された処理室
２３とを有している。

【００１３】そして、放電室１００及び処理室２３の双
方を図示しない排気系により真空引きした後、放電室１
００にガス導入手段７からアルゴンガスのような特定ガ
スを導入して放電室内をそのガス雰囲気中にしておき、
ガス雰囲気中で導波管５によりマイクロ波を導入し、放
電室内でマイクロ波放電を起こしてプラズマを生成する
と、生成したプラズマ中から、放電室１００と処理室２
３との境界部に設けられたビーム引き出し電極１１によ
り、イオンをビームとして引き出し、引き出されたイオ
ンビームが基板２０に照射されることにより、基板の表
面を所望形状に形成する。

【００１４】導波管５は、ステンレスのような非磁性材
により形成されて横幅の小さい矩形状（横幅２７ｍｍ，
奥行き９６ｍｍ）をなしており、途中位置に放電室１０
０の気密を保持し得るように誘電体６が設置され、図示
しない上端側から一般的に使用される周波数２．４５Ｇ
Ｈｚのマイクロ波が導入されると、基本モード（ＴＥ₁₀
モード）のマイクロ波のみをその下端側に伝送するよう
になっている。誘電体６は通常では、石英やアルミナ等
のセラミックスからなっている。

【００１５】実施例では、前記放電室１００として、導
波管５の一部を利用したものであって、電子加熱空間室
部１とプラズマ生成空間室部２とを有して形成されてい
る。電子加熱空間室部１は、図２及び図３に示すよう
に、導波管５内において誘電体６より下流側の位置に形
成された小断面積形状のものであって、導波管５にマイ
クロ波を導入したとき、導波管５内に形成された小断面
形状となることによって電子加熱空間室部を通るマイク
ロ波を強電界にさせるようにしており、前述の如き矩形
をなす導波管５において、軸方向に約３０ｍｍ程度の長
さをなしている。

【００１６】プラズマ生成空間室部２は、ステンレス等
の非磁性材により円形の上壁８ａとその周壁８ｂとを有
して中空に形成され、加熱空間室部より遙かに大きい空
間（内径４００ｍｍ，高さ２００ｍｍ）を有して、その
中心軸が加熱空間室部１及び導波管５の中心軸心と一致
している。また電子加熱空間室部１の外周には、第一の
静磁場発生手段としての永久磁石３が配設されている。
該永久磁石３は、残留磁束密度の大きい（約１１０００
Ｇ）サマリウム・コバルト等からなっており、図３に示
すように、導波管５の外周を取り囲むように複数配列さ
れると共に、図２に示すように導波管５の外周において
誘導体６側からその下流端まで軸方向の長さに沿って設
けられ、図１及び図２に網線にて示す如く、マイクロ波
の伝送方向に沿う磁場を形成するようにしている。

【００１７】その際、磁場は電子加熱空間室部１内で
は、図２（ａ）及び（ｃ）に示すように、誘電体６のマ
イクロ波導出部６ａにおいて、電子サイクロトロン共鳴
磁場強度（８７５Ｇ）を越える大きさの磁場（本例では
約９５０Ｇ）となり、かつそこから下流側に向かって急
峻に弱くなると共に、電子加熱空間室部１の末端側とプ
ラズマ生成空間室部２との境界付近の点１４で０とな
り、さらにプラズマ生成空間室部２に至るそれより下流
側においては磁場の向きが反転するカプス状磁場を形成
し得るように構成されている。

【００１８】また、磁場強度が誘電体６のマイクロ波導
出部６ａから電子加熱空間室部とプラズマ生成空間室部
との境界付近の点１４に立ち下がるまでの距離は、導波
管５に供給されるマイクロ波の波長の長さより小さいこ
とが好ましい。このような磁場を形成する永久磁石３
は、本例では厚み６ｍｍ，磁化方向長さ５０ｍｍ，周長
約３００ｍｍの大きさである。

【００１９】また、プラズマ生成空間室部２の外周には
第二の静磁場発生手段としての永久磁石４が複数配列さ
れている。これら複数の永久磁石４は、第一の静磁場発
生手段としての永久磁石３と同様の材質からなり、プラ
ズマ生成空間室部２の上壁８ａにおいては図３に示すよ
うに、所定の間隔を隔てると共にプラズマ生成空間室部
２の周囲に沿って夫々設けられる第一永久磁石部４ａ
と、プラズマ生成空間室部２の周壁８ｂにおいても所定
の間隔をもってかつその周壁８ｂに沿って夫々設けられ
た第二永久磁石４ｂ部とからなっている。そして、これ
ら永久磁石４の夫々が互いに磁極を反対向きにして配置
されている。

【００２０】即ち、上壁８ａにおいては図１及び図３に
示すように、第一永久磁石部４ａの一番目が永久磁石３
の磁極と逆向きとなるように上部をＳ極にすると共に下
部をＮ極とし、第一永久磁石部４ａの二番目が前記一番
目の第一永久磁石部４ａと逆向きとなるように上部をＮ
極にすると共に下部をＳ極とし、また周壁８ｂにおいて
もそれと同様となるように磁極を違えて第二永久磁石部
４ｂを順次配列し、これよってプラズマ生成空間室部２
内に多極磁場を形成しつつ、空間の広い範囲を弱磁場領
域としている。

【００２１】参考までに述べると、本例ではプラズマ生
成空間室部２の中心部では２０Ｇ程度、ビーム引き出し
電極１１の位置では１０Ｇ以下となっている。

【００２２】なお図１において、符号９は複数の永久磁
石４によって形成される磁力線を表している。

【００２３】実施例のプラズマ処理装置は、上記の如き
構成よりなるので、次にその作用について説明する。

【００２４】電子加熱空間室部１とプラズマ生成空間室
部２とからなる放電室１００がガス雰囲気中にあると
き、導波管５に周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供
給すると、導波管５が基本モードのみを伝送する。この
マイクロ波伝送モードにおける電界方向は導波管５の幅
方向と一致している。

【００２５】上記マイクロ波の伝送時、導波管５内にお
いて誘電体６より下流側に電子加熱空間室部１が形成さ
れ、該空間室部１が小断面積となることにより、該電子
加熱空間室部１に強電界のマイクロ波を安定して導入す
ることができる。このような電子加熱空間室部１が小断
面積であると、その周囲に配設された第一の静磁場発生
手段としての永久磁石３を小さい形状にすることがで
き、そのため、従来技術のように大形の永久磁石を用い
ることが不要になる。

【００２６】なお、本実施例では、幅２７ｍｍ，奥行き
９６ｍｍからなる導波管５及び長さ約３０ｍｍの電子加
熱空間１を用いた場合、マイクロ波入射電力４００Ｗに
対し、マイクロ波電界強度の導波管断面内平均値として
約８０Ｖ／ｃｍを実現できた。

【００２７】そして、永久磁石３は、電子加熱空間室部
１において誘電体６のマイクロ波導出部６ａで電子サイ
クロトロン共鳴磁場を越える大きさの磁場を形成すると
共に、そこから電子加熱空間室部１とプラズマ生成空間
室部２との境界付近の点１４で磁場強度が０となり、永
久磁石３による磁場強度分布が急峻に減衰することとな
る。そのため、電子サイクロトロン共鳴層１２の厚みが
薄く、マイクロ波電界強度当たりの電子加熱能力が小さ
いものとなるものの、電界強度自体を十分強電界にして
いるためにその電子サイクロトロン共鳴層１２の位置１
２ａ〜１２ｃで、マイクロ波のほとんどを電子に吸収さ
せて電子を加熱することができる結果、高エネルギー電
子にさせることができる。

【００２８】なお、ここで云う高エネルギー電子と呼ぶ
のは、ガスを電離することが可能でかつ約１０ｅＶ以上
のエネルギーをもった電子であり、ガスを電離し得ない
程度の電子とは当然異なる。

【００２９】また永久磁石３による磁場強度分布曲線
は、図２（ｃ）に示す如く、電子加熱空間室部１におい
て誘電体６のマイクロ波導出部６ａとプラズマ生成空間
室部２の境界付近の点１４との間で急峻に立ち下がり、
その変化長がマイクロ波波長の長さより小さくなるよう
にしているので、マイクロ波の伝搬，吸収に関わる不安
定要素を極力なくすことができ、高電界のマイクロ波を
確実にかつ安定して得ることができる。

【００３０】一般に、電子は強磁場となるところではほ
ぼ磁力線に沿って移動するのであるが、磁場が弱い領域
では磁力線を横断することが容易にできる。そのため、
電子加熱空間室部１においてその末端側では、即ち、電
子加熱空間室部１とプラズマ生成空間室部２との境界付
近の点１４に存在する電子は、カスプ状磁場を往来する
ことが可能となる。その場合、電子が電子サイクルトロ
ン共鳴層１２のうち、位置１２ａまたは位置１２ｂの部
分を通過すると、加熱されて高エネルギー化するので、
該高エネルギー化した電子は、上記カスプ状磁場の領域
に沿って拡散し、しかもその領域を動きまわる間に中性
粒子と衝突して電離し、プラズマを生成する。そして、
このとき生成された低エネルギー電子は、多極カスプ状
磁場の領域を移動しているうちに電子加熱空間室部１内
に入り込み、また電子サイクロトロン共鳴層１２の位置
１２ａ，１２ｂを通過することによって加熱され、高エ
ネルギー電子となって電離を担うようになるのである。

【００３１】その際、永久磁石３が電子加熱空間室部１
とプラズマ生成空間室部２との境界付近の点１４で磁場
強度が０となる部分からさらに下流側では図２（ａ）及
び（ｃ）に示す如く、磁場方向が反転するカスプ状磁場
を形成するので、電子加熱空室部１からプラズマ生成空
間室部２に向かう高エネルギー電子の電流密度は、同図
（ｂ）に示すように電子加熱空間室部１の中心軸状にピ
ークをもったものとなり、そのため、電子加熱空間室部
１から遠ざかる領域、即ちプラズマ生成空間室部２内の
弱磁場領域でのプラズマ生成を促進させることができ
る。

【００３２】実験によれば、放電室１００のアルゴンガ
ス圧１．０×１０^-4Ｔｏｒｒ、マイクロ波投入電力４０
０Ｗの条件で、ビーム引き出し電極位置に３５０ｍｍの
金属プレートを置いたとき、その金属プレートで捕集さ
れたイオン電流量が３Ａとなり、この値は、電子加熱空
間室部１に前記ガス雰囲気中で流れ込む中性ガスの全て
が一価電離されたと仮定したときの電子加熱空間室部で
のイオンの生成量（０．１５Ａ）の２０倍にもなること
が確認された。

【００３３】一般に、高真空（１×１０^-5〜１×１０^-3
Ｔｏｒｒ）下では、電子が中性粒子を電離するのに要す
る平均自由行程が数ｍから数十ｍにおよび、高エネルギ
ー電子が中性粒子を電離するまでにプラズマ生成空間室
部２の多極カスプ状磁場に何度も反射されながら弱磁場
領域をランダムに動きまわる。このため、弱磁場領域で
はプラズマが均一に生成される。しかも、プラズマ生成
空間室２の周囲には第二の静磁場発生手段としての永久
磁石が複数配列されると共に、該夫々の隣接する永久磁
石が互いに磁極を違えて配置されることにより、多極カ
スプ状磁場を形成しているので、拡散された高エネルギ
ー電子のみならず、該高エネルギー電子によって生成さ
れたプラズマを効率的に生成空間室部２内に閉じ込めて
おくことができ、高密度のプラズマを確実に形成するこ
とができる。このような弱磁場領域で生成されたプラズ
マは、磁場に影響されることが少なく、イオン種分布が
均一でかつイオン温度の低い良好なものとなる。

【００３４】ところで、プラズマ生成空間室部２におけ
る高エネルギー電子及びプラズマの閉じ込め量としては
磁石近傍の磁場が強いほど効率がよいことから、永久磁
石４の間近の部分で電子サイクロトロン共鳴磁場強度以
上に磁場が設定される場合がある。

【００３５】しかし本実施例では、上述の如く、導波管
５の誘電体６より下流側に形成された電子加熱空間室部
１とこれの下流側に形成されたプラズマ生成空間室部２
とで放電室１００が形成され、電子加熱空間室部１の外
周に配設された永久磁石３により、電子加熱空間室部１
の上流側で強磁場を形成し、そこから下流側に至るに従
い磁場を急峻に立ち下げてカスプ状磁場を形成している
ので、導波管５によってマイクロ波が供給されても、そ
のマイクロ波のほとんどが電子加熱空間室部１で吸収さ
れてしまうことにより、またプラズマ生成空間室部２に
漏れてきたマイクロ波があっても、プラズマ生成空間室
部２内の断面積が遙かに大きく、電界強度が非常に弱い
ものとなることにより、プラズマ生成空間室部２内にお
いて永久磁石４の間近に形成される電子サイクロトロン
共鳴層１２での電子加熱はほとんど起きない。

【００３６】上述の如く生成されたプラズマ中から図４
に示す如く、ビーム引き出し電極１１によってイオンを
引き出し、そのイオンビームを処理室２３内の基板２０
に照射すると、ビーム引き出し電極位置で磁場の影響が
ほとんどないので、従来技術に比較し、ビーム引き出し
の際に問題となる磁場に起因した絶縁破壊やビームの発
散を防止することができる。また磁場のほとんどない領
域で生成されたプラズマ中のイオンは温度が低く、指向
性の高いブロードイオンビームを得ることができるの
で、図４に示す如きイオンビーム分布形状、即ち広範囲
に渡って均一な分布形状のイオンビームとなる。この結
果、直径３００ｍｍの基板２０上では、イオンビーム電
流量のばらつきを±５％以下に抑えることができ、極め
て品質の高い処理を施すことができる。

【００３７】またさらに、ビーム引き出し電極１１位置
では磁場の影響がほとんどないため、イオンビームの外
周から電子を供給する方法で行うことにより、イオンビ
ームの中和が可能となる。

【００３８】図５は本発明の第二の実施例を示してい
る。

【００３９】本実施例では、第一の磁場発生手段として
永久磁石３のみならず、該永久磁石３の周囲に配設され
たソレノイドコイル１３の双方によって構成されてい
る。即ち、この場合の永久磁石３は、前述した第一の実
施例と同形状のものであり、また磁場強度が第一の実施
例のものに比較し、電子加熱空間室部１の軸方向におい
て図５（ｂ）に示す如く、全体的に１割５分程度減少さ
せ、永久磁石３単体では誘電体６のマイクロ波導出部６
ａで電子サイクロトロン共鳴磁場強度より若干低くなる
ように構成されている。

【００４０】一方、ソレノイドコイル１３は、図５
（ｂ）に示す如き磁場成分を有し、この磁場成分を、永
久磁石３による磁場成分に畳重することにより、同図に
太線にて示す如く、誘電体６のマイクロ波導出部６ａに
て電子サイクロトロン共鳴磁場強度を越える磁場となる
ように構成されている。従って、永久磁石３とソレノイ
ドコイル１３との双方により、電子加熱空間室部１にお
いて誘電体６のマイクロ波導出部６ａでは電子サイクロ
トロン共鳴磁場強度以上となる強磁場を形成し、そこか
ら下流側となる電子加熱空間室部１とプラズマ生成空間
室部２との境界付近の点１４では急峻に立ち下がって磁
場強度が０となり、さらに下流側では強磁場と方向が異
なるカプス状磁場を形成するようにしている。なお、第
一の静磁場発生手段以外の部分については第一の実施例
と同様の構成であるので、ここではその説明を省略す
る。

【００４１】上述の如く、永久磁石３とソレノイドコイ
ル１３との双方によって形成される磁場は、永久磁石の
みで第一の静磁場発生手段を構成する第一の実施例に比
較すると、誘電体６のマイクロ波導出部６ａでは共に同
様の強磁場となるものの、プラズマ生成空間室部２にお
ける磁場（カスプ状磁場）を第一の実施例よりいっそう
弱い磁場にすることができる。その理由としては、永久
磁石３の残留磁束密度そのものが第一の実施例のそれに
比較して若干小さいものであって、その永久磁石３から
距離的に遠ざかるにつれて磁場が小さくなること、また
永久磁石３の外周位置にソレノイドコイル１３を配置す
ることにより、ソレノイドコイル１３による磁場と永久
磁石３による磁場がプラズマ生成空間室部２において互
いに打ち消し合うことで磁場を確実に小さくできること
に起因する。そのため、プラズマ生成空間室部２におい
て弱磁場の領域が占める割合をいっそう大きくさせるこ
とができので、プラズマをより均一に生成することがで
きる。

【００４２】なお、実施例では、ソレノイドコイル１３
が断面寸法５０×２０ｍｍの銅巻線製のものであって、
単位断面積当たり約２Ａ／ｍｍ²の電流を通電させて、
誘電体マイクロ波導出部６ａで１５０Ｇ程度の磁場を発
生させるように構成され、比較的小さいもので容易に磁
場を形成することができる。

【００４３】図６は本発明の第三の実施例を示してい
る。

【００４４】この実施例では、導波管５に設置された誘
電体６の形状に工夫をこらしたものである。即ち、誘電
体６のマイクロ波導出部６ａの一部を、マイクロ波の導
出方向に沿ってかつ電子加熱空間室部１に向かって突出
する突起部６ｂが形成されている。この突起部６ｂは、
第一の実施例における際電子加熱空間室部１において、
加熱されて高エネルギー化した電子がプラズマ生成空間
室部２に向かうことがないような位置に相当する場所１
ｃに配置されている。従って、換言すれば、突起部６ｂ
は、プラズマ生成空間室部２に向かって拡散せず、プラ
ズマ生成に寄与しない部分を塞いでいる。

【００４５】前記のように、誘電体６の一部として突起
部６ａを設けたことで、電子サイクロトロン共鳴層１２
の位置１２ａと１２ｂでの電子の加熱をより有効なもの
とすることができる。実際、１．０×１０^-4Ｔｏｒｒの
アルゴンガス雰囲気中で、マイクロ波投入電力４００Ｗ
の条件下では、ビーム引き出し電極位置に直径３５０ｍ
ｍの金属プレートを置いた場合、該金属プレートから捕
集されたイオン電流量が４．５Ａとなることが確認され
た。これは、同一条件のもとでイオン電流量３Ａが得ら
れた第一の実施例に比較すると、１．５倍の値であり、
従って、加熱空間室部１ではより高エネルギー化した電
子を得ていると云える。

【００４６】なお、突起部６ｂは電子がプラズマ生成空
間室部２に向かうことがない位置１ｂをほぼ全面的に塞
いでいるが、図示の如く、プラズマ生成空間室部２に向
かうことがない若干の領域１ｃを残すと、該領域１ｃの
存在によってプラズマの点火を容易にしてプラズマ放電
を安定化させることができ、より安定化した高エネルギ
ー電子を得ることができる。なおこの場合、上記領域１
ｃによりマイクロ波の吸収割合としては、全マイクロ波
電力の１〜２割程度と推定される。

【００４７】図７は本発明の第四の実施例を示してい
る。

【００４８】この実施例では、第一の実施例における電
子加熱空間室部１において電子がプラズマ生成空間室部
２に向かうことのない位置に相当する場所１ｃに、導波
管５の内壁の一部を膨出させて突起部５ｂを形成したも
のである。即ち、この突起部５ｂは、逆台形形状に形成
された誘電体６の形状に対応し、下流側に沿って次第に
膨出すると共に、その膨出端からそのままの大きさで若
干軸方向に沿う形状をなし、さらにその下流側に至るに
従い電子加熱空間室部１の空間断面積を拡開させた形状
をなしている。このように導波管５の一部によって突起
部５ｂを形成しても、マイクロ波電力当たりのプラズマ
生成効率を確実に向上させることができ、ビーム引き出
し電極１１に直径３５０ｍｍの金属プレートを置いた場
合、イオン電流量５Ａを得ることが確認された。

【００４９】但し、第三及び第四の実施例中、放電の安
定化と云う点に関しては第三の実施例の方が良好となっ
た。また、処理室２３内における基板２０の表面が導電
性材料であって、これをイオンビームエッチング処理し
た場合、その基板表面から導電性の粒子が飛来し、その
飛来した粒子が誘電体６のマイクロ波導出部６ａに付着
する結果、マイクロ波の導入が困難となる場合が生じる
が、この飛来粒子の付着抑制効果に関しては、図７に示
す第四の実施例の如く、突起部５ｂを設けた電子加熱空
間室部２の形状の方がより効果的であった。このような
放電の安定化及び飛来粒子抑制効果は突起部６ｂと５ｂ
との形状の相違によって異なるものであり、その用途に
応じ選択的に選定すればよい。

【００５０】図８及び図９は本発明の第五の実施例を示
している。

【００５１】この実施例では、二つの導波管５を用い、
それら二つの導波管５において誘電体６より下流側に夫
々設置された二つの電子加熱空間室部１と、夫々の電子
加熱空間室部１の下流側に共通的に連結された一つのプ
ラズマ生成空間室部２とを有して放電室１００を形成し
たものである。なお、その電子加熱空間室部１は第一の
実施例のものと同様の形状であるので、ここではその説
明を省略する。

【００５２】一方、前記プラズマ生成空間室部２は、第
一の実施例と異なり、ステンレス等の非磁性材により縦
５００ｍｍ，横７００ｍｍ，奥行き２００ｍｍの箱型形
状をなしている。そして、プラズマ生成空間室部２の上
壁８ａには、二つの電子加熱空間室部１が約３００ｍｍ
の間隔をおいて夫々設置され、夫々の加熱空間室部１の
外側寸法が互いに同一となっている。また、プラズマ生
成空間室２の上壁８ａには、第二の静磁場発生手段とし
ての複数の永久磁石４が、第一の静磁場発生手段として
の永久磁石３の周囲に対し所定間隔をもって、しかも互
いに磁極が反対向きとなるように配列され、またプラズ
マ生成空間室部２の周壁８ｂにも同様にして複数の永久
磁石が配列され、プラズマ生成空間室部２に磁力線９に
て示す如き弱い多極磁場を形成している。

【００５３】この場合、永久磁石４は、永久磁石３と同
様のサマリウム・コバルト製（残留磁束密度約１１００
０Ｇ）であり、厚みが６ｍｍで磁化方向の長さが２０ｍ
ｍであり、互いに隣接する間隔が３０〜８０ｍｍであ
る。

【００５４】実施例の如き構成では、夫々の電子加熱空
間室部１によって高エネルギー電子が発生し、その高エ
ネルギー電子がプラズマ生成空間室部２に向かって拡散
すると、高エネルギー電子は、その多極磁場の領域を動
きまわる課程において、ガス導入手段７によって供給さ
れているガスと衝突しかつ電離するので、断面積の大き
いプラズマ生成空間室部２であっても、均一かつ高密度
で低イオン温度のプラズマを安定的に生成することがで
きる。従って、本実施例によれば、断面積の大きいプラ
ズマ生成空間室２であっても、プラズマの生成を安定化
することができるので、処理室２３が広くかつ大形の基
板２０でも確実に処理することができる。

【００５５】図１０及び図１１は本発明による第六の実
施例を示している。

【００５６】この場合は、前述した第五の実施例と同様
に複数の電子加熱空間室部１を用いて均一なプラズマ生
成を実施したものである。そして、本実施例において第
五の実施例と異なるのは、周囲が真四角の立方体に形成
されたプラズマ生成空間室部２が形成され、その外周を
構成する各側壁の中央部に電子加熱空間室部１を有する
導波管５が連結されている。プラズマ生成空間室部２
は、例えば幅７００ｍｍ，高さ２５０ｍｍの大きさであ
り、これまでの実施例と同様に非磁性材である。電子加
熱空間室部１を有する導波管５は、プラズマ生成空間室
部２の各側壁に対応する４個からなり、何れの軸線とも
プラズマ生成空間室部２の中心軸線に対し直交するよう
に連結されている。なお、導波管５の電子加熱空間室部
１及び永久磁石３は第一の実施例と同様のものである。

【００５７】この実施例では、処理室２３内の基板２０
にイオンビームを照射したとき、処理室２３から粒子が
飛来してくるが、その際、各々の導波管５及び電子加熱
空間室部１がプラズマ生成空間室部２に対し直交するよ
うに連結されているので、飛来粒子が導波管５の誘電体
６に付着するのを極力防ぐことができる。その結果、導
電性の基板であっても、イオンビームエッチング加工を
長時間行うことが可能となる。また、プラズマ生成空間
室部２が方形に形成された例を示したが、円形のもので
も同様の効果を得ることができるのは云うまでもない。

【００５８】図１２及び図１３は本発明の第七の実施例
を示している。

【００５９】この場合は、導波管５とプラズマ生成空間
室部２とが同一中心軸線上に配置されている。この実施
例では、プラズマ生成空間室部２内に電子を拡散させる
ためのバッフル１５が設けられたことを特徴とするもの
である。このバッフル１５は導電性のアングル材（一辺
３０ｍｍ，長さ１２０ｍｍ）からなり、絶縁物製の支持
部材１６により、プラズマ生成空間室部２内において電
子加熱空間室部１の中心軸上の中間部に取付けられ、頂
部が図１２に示す如く電子加熱空間室部方向を向くよう
に配置されている。そして、バッフル１５には負のバイ
アスを印加する手段１７が接続されている。該手段１７
により０〜１００Ｖ、好ましくは１５〜６０Ｖの負バイ
アスを印加し、電子加熱空間室部１からの高エネルギー
電子がプラズマ生成空間室部２内のバッフル１５に当た
ると、図１２に示す矢印ｅ−の如く跳ね返ることによ
り、高エネルギー電子をプラズマ生成空間室部２内に広
範囲に渡り拡散させることができるようにしている。

【００６０】この実施例によれば、高エネルギー電子を
バッフル１５によりプラズマ生成空間室部２内で広範囲
に渡り拡散させることができる。一方、導電性の粒子が
導波管５の誘電体６に付着するのを大幅に抑えることが
できる。このようにバッフル１５による電子の拡散効果
は、導電性のバッフルに負のバイアスを印加すればかな
り有効なものとなるが、バッフルを絶縁材で形成して負
バイアスを印加しない場合でもそれなりの効果を有する
ことができる。

【００６１】図１４は本発明の他の実施例を示してい
る。

【００６２】この場合は、プラズマ処理装置に適用した
ものであって、処理に際し、排気系により排気した後、
ガス導入手段によって特定ガスを導入し、所定のガス雰
囲気中としたところで、導波管５によりマイクロ波を導
入することにより、プラズマ生成空間室部２にプラズマ
を発生させ、このプラズマ及びこれに付随して生成され
たラジカルにより、支持台２１で無バイアスのまま（或
いは交流または直流バイアスが印加される）、基板２０
をプラズマ処理する。該プラズマ処理装置は、一般に、
同一規模のイオン源と比較した場合、より多くのガス流
量を必要とする。

【００６３】そこで、本実施例では、プラズマ生成空間
室部２内に多極磁場を形成する永久磁石４ａ，４ｂのう
ち、永久磁石４ａをこれまでの実施例と同様に上壁８ａ
に配列する他、永久磁石４ｂをプラズマ生成空間室部２
の内部に配列する。この場合、永久磁石４ｂは基板２０
を汚染することがなくしかも永久磁石４ｂが熱影響を受
けることのない断熱シールド材２４でシールドされ、図
示しない支持手段によって配列される。そして、永久磁
石４ｂの間からプラズマ生成空間室部２の排気通路８ｃ
を経てガスを排気することにより、プラズマ生成空間室
部２の排気コンダクタンスを大きくすることができ、大
流量のガスを導入しても高真空とすることができる。こ
のような永久磁石４ｂはソレノイドコイルを用いた場合
に比較し、コンパクトでかつ自己発熱がないので、前記
支持手段によってプラズマ生成空間室部２内に容易に設
置することができる。このようにして、プラズマ生成空
間室部２には排気通路８ｃが形成されている。

【００６４】プラズマ生成空間室部２の内部に基板２０
を設置するが、その際、基板２０の位置としてはこれま
で前述した実施例のビーム引き出し電極１１の位置に相
当し、電子加熱第一の静磁場発生手段としての永久磁石
３の磁場強度は基本的には第一の実施例或いは第二の実
施例のものと同様であり、また、電子加熱空間室部１の
内部構造は第三，第四の実施例と同様に突起部を設けて
もよい。

【００６５】また、これまで前述した実施例において
は、ビームとして引き出したイオン電流量と同量の電子
をプラズマ生成空間室部２のビーム引き出し電極１１に
集めなければならないので、該電極１１を導電性の材料
で製作する必要があるばかりでなく、プラズマ生成空間
室部２とは別個に処理室２３を設ける必要がある。これ
に対し、本実施例ではその必要がなくなり、導波管５，
プラズマ生成空間室２の真空壁，永久磁石４ｂ、支持手
段等のようなプラズマと接する部品全てを、石英等の絶
縁物で覆い、基板２０に対する金属汚染を防止すること
が可能となるように構成すれば、プラズマ生成空間室部
２内に基板２０をそのまま設置してプラズマ処理するこ
とができる。なお、これら永久磁石４ａ，４ｂは隣接す
るものの磁極が互いに反対となるように配列されるのは
勿論である。

【００６６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、導
波管内に強電界のマイクロ波を安定して導入できるよう
に電子加熱空間室部を設け、該電子加熱空間室部の外周
に配設された第一の静磁場発生手段としての永久磁石
が、誘電体のマイクロ波導出部おいて電子サイクロトロ
ン共鳴磁場強度を越える磁場を形成すると共に、誘電体
のマイクロ波導出部から電子加熱空間室部とプラズマ生
成空間室部との境界部分との間で急峻に磁場が立ち下が
り、さらに電子加熱空間室部とプラズマ生成空間室部と
の境界部分からプラズマ生成空間室部方向に向かうに従
い前記磁場と方向が反転するカスプ状磁場を形成するよ
うに構成したので、永久磁石を小さい形状に形成するこ
とができると共にそれだけ安価になり、加えて、プラズ
マ生成空間室部の周囲には第二の静磁場発生手段とし
て、互いに隣接する永久磁石の磁極が反対となるように
永久磁石が複数配列されているので、プラズマ生成空間
室部で広範囲に渡り均一でかつ高密度のプラズマを確実
に形成でき、磁性膜の加工用途にも確実に利用すること
ができる結果、品質の良好な大面積の処理物を安定的に
得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ処理装置の第一の実施例
を示す説明用断面図。

【図２】本発明の要部を示す拡大図（ａ），電子電流密
度とプラズマ生成空間室部との関係を示す説明図
（ｂ），電子加熱空間室部及びプラズマ生成空間室部の
各々の位置における磁場強度分布曲線図（ｃ）。

【図３】プラズマ処理装置の平面図。

【図４】プラズマ処理装置を示す全体概略図。

【図５】本発明によるプラズマ処理装置の第二の実施例
を示す要部の説明図（ａ），電子加熱空間室部及びプラ
ズマ生成空間室部の各々の位置における磁場強度分布曲
線図（ｂ）。

【図６】本発明によるプラズマ処理装置の第三の実施例
を示す要部の説明図。

【図７】本発明によるプラズマ処理装置の第四の実施例
を示す要部の説明図。

【図８】本発明によるプラズマ処理装置の第五の実施例
を示す説明用断面図。

【図９】図８に示すプラズマ処理装置の平面図。

【図１０】本発明によるプラズマ処理装置の第六の実施
例を示す一部破断の説明用正面図。

【図１１】図１０に示すプラズマ処理装置の平面図。

【図１２】本発明によるプラズマ処理装置の第七の実施
例を示す説明用断面図。

【図１３】図１２のＩ−Ｉ線断面図。

【図１４】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例
を示す説明用断面図。

【符号の説明】

１…電子加熱空間室部、１ｃ…電子がプラズマ生成空間
室部に向かうことのない位置、２…プラズマ生成空間室
部、３…第一の静磁場発生手段としての永久磁石、４，
４ａ，４ｂ…第二の静磁場発生手段としての永久磁石、
５…導波管、５ｂ…導波管の突起部、６…誘電体、６ａ
…マイクロ波導出部、６ｂ…誘電体の突起部、９…磁力
線、１２，１２ａ，１２ｂ…電子サイクロトロン共鳴
層、１３…ソレノイドコイル、１４…電子加熱空間室部
とプラズマ生成空間室部との境界部分、１５…バッフ
ル、２４…断熱シールド材、２０…基板、２３…処理
室、１００…放電室。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊賀 尚 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 夏井 健一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部にプラズマが生成されるプラズマ生
   成室と、該プラズマ生成室にプラズマを生成するための
   マイクロ波を導入する導波管と、該導波管の周囲に設け
   られ、前記マイクロ波との相互作用によりプラズマを生
   成するための電子サイクロトロン共鳴磁場強度を有する
   第１の磁場発生手段と、前記プラズマ生成室の周囲に互
   いに極性を順次違えて配置され、カスプ状磁場を形成し
   て前記プラズマを閉じ込める第２の磁場発生手段とを備
   え、 前記マイクロ波と第１の磁場発生手段の磁場により生成
   されたプラズマを、前記第２の磁場発生手段のカスプ状
   磁場の領域に沿って前記プラズマ生成室内に拡散させる
   と共に、前記カスプ状磁場によりプラズマ生成室内に閉
   じ込めることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 内部にプラズマが生成されるプラズマ生
   成室と、該プラズマ生成室にプラズマを生成するための
   マイクロ波を導入する導波管と、該導波管の周囲に設け
   られ、前記マイクロ波との相互作用によりプラズマを生
   成するための電子サイクロトロン共鳴磁場強度を有する
   第１の磁場発生手段と、前記プラズマ生成室の周囲に互
   いに極性を順次違えて配置され、カスプ状磁場を形成し
   て前記プラズマを閉じ込める第２の磁場発生手段とを備
   え、 前記プラズマ生成室の側壁に前記導波管を設け、前記マ
   イクロ波を前記プラズマ生成室の軸線と直交する方向か
   ら導入すると共に、生成されたプラズマを前記第２の磁
   場発生手段によるカスプ状磁場により前記プラズマ生成
   室内に閉じ込めることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 導波管から導入されたマイクロ波と導波
   管の周囲に配置された第1の磁場発生手段による電子サ
   イクロトロン共鳴磁場との相互作用によりプラズマ生成
   室内にプラズマを生成し、このプラズマを、プラズマ生
   成室の周囲に互いに極性を順次違えて配置された第2の
   磁場発生手段によるカスプ状磁場の領域に沿って前記プ
   ラズマ生成室内に拡散させると共に、前記カスプ状磁場
   により前記プラズマ生成室内に閉じ込めることを特徴と
   するプラズマ処理方法。
4. 【請求項４】 導波管からプラズマ生成室の軸線と直交
   する方向から導入されたマイクロ波と、導波管の周囲に
   配置された第1の磁場発生手段による電子サイクロトロ
   ン共鳴磁場との相互作用によりプラズマ生成室内にプラ
   ズマを生成し、このプラズマを、プラズマ生成室の周囲
   に互いに極性を順次違えて配置された第2の磁場発生手
   段によるカスプ状磁場の領域に沿って前記プラズマ生成
   室内に拡散させると共に、前記カスプ状磁場により前記
   プラズマ生成室内に閉じ込めることを特徴とするプラズ
   マ処理方法。
5. 【請求項５】 被処理基板が配置された放電室内にマイ
   クロ波を導入し、電子を加熱して拡散させて前記被処理
   基板上部のプラズマ生成空間部にプラズマを発生させて
   被処理基板をプラズマ処理する方法において、 前記マイクロ波を、前記被処理基板とプラズマ生成空間
   部との方向に対し直交する方向から導入することを特徴
   とするプラズマ処理方法。
6. 【請求項６】 被処理基板が配置された放電室内にガス
   を導入し、前記放電室内に前記被処理基板の主表面に沿
   った方向からマイクロ波を導入することによってプラズ
   マを発生させ、該プラズマ及びこれに付随して生成され
   たラジカルにより前記被処理基板をプラズマ処理するこ
   とを特徴とするプラズマ処理方法。