JP2004111396A - プラズマ源 - Google Patents

Abstract

　【課題】　プラズマ本体内の圧力を有意に増大しなくても、信頼性の高い点火が行われ、全プラズマ本体にわたって点火が均等に行われるプラズマ源を提供すること。
　【解決手段】　比較的低い電圧で点火を行うことができるように、孔部（１３，１４）を含むプレート（５）が、プラズマ・チャンバ（３）の壁部（２１）上に位置するプラズマ本体（１７）の下に設置されている。このプレート（５）を通して、プラズマが最初に点火するプラズマ本体（１７）内より高い圧力でプラズマ本体（１７）の下に点火本体（１６）が形成される。その後で、点火は、プレート（５）の孔部を通してプラズマ本体（１７）内に伝搬する。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、請求項１の前文に記載するプラズマ源に関する。

　プラズマは、一般的に、３つの成分、すなわち、自由電子、陽イオンおよび中性原子または分子の混合物からなる。プラズマ状態は、非常に高温に加熱された任意の物質の自然な状態である。

　基板を特定の材料でコーティングしたり、または基板をエッチングしたり、洗浄するために、一般にプラズマから基板上への電界および／または磁界により陽イオンが加速されるプラズマが使用される。

　プラズマは、プラズマ源またはリアクタにより発生する。これらのプラズマ源は、そのもともとは電気的に中性なガスまたはガスの混合物から上記３つの成分によりプラズマが発生するという点では共通している。

　正の粒子、負の粒子および中性粒子を発生し、基板上に移動させることができる粒子源はすでに周知である（ＤＥ　３８　０３　３５５　Ａ１）。この周知の粒子源は、イオン化されるガスまたはガスの混合物を含むコンテナを備える。このコンテナ内には、好適には、マイクロ波であることが好ましい電磁波が放射される。永久磁石または電磁石の助けを借りて発生するトロイダル磁界が、同時にコンテナ内に放射する。電子に対するマイクロ波と磁界との同時作用により、いわゆる電子サイクロトロン共鳴が起こり、それにより強いイオン化が行われる。特殊な制御グリッド構成により、正の粒子、負の粒子、および中性粒子をコンテナから外へ取り出すことができる。

　磁界コイル構成、ガス供給システム、およびプラズマ・ビームを抽出するための装置が配置されている、キャリヤ素子を備える高周波プラズマ源はさらによく知られている（ＷＯ　０１／６３９８１）。プラズマ本体内に位置する励起電極とプラズマ本体の外側に位置する１３．５６ＭＨｚの高周波ゼネレータとの間には、プラズマ本体内に位置する整合回路が設置されている。キャリヤ電極の方を向いているガス供給源は、ガス導入チャネルを備え、２つの真空の流れの通路からの空間内に位置していて、プレートを通して作用する。
ＤＥ　３８　０３　３５５　Ａ１ ＷＯ　０１／６３９８１ ＳＵ特許１４０２　１８５ ＲＵ　１　７４５　０８０ ＲＵ　２　０３０　０１５ ＪＰ　６１　１２４０２９　Ａ ＵＳ　２００２／００４７５３６　Ａ１ １９８４年発行の、Ｒｕｔｓｃｈｅｒ／Ｄｅｕｔｓｃｈの、「Ｐｌａｓｍａｔｅｃｈｎｉｋ，Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ　ｕｎｄ　Ａｎｗｅｎｄｕｎｇ」の論文

　このプラズマ源の欠点は、圧力パルスでしか点火しないことである。すなわち、プラズマ源を点火するために、プラズマ本体内のｐ＝０．０２Ｐａの圧力を１Ｐａを超える圧力ｐに上げてやらなければならない。そのため、０．０２Ｐａの元のプロセス圧力に再び戻るのに非常に長い時間が掛かる。ガス・ギャップのところの点火電圧は、ガス圧力ｐと電極空間ｄの積（いわゆる、パッシェン曲線（Ｐａｓｃｈｅｎ　ｃｕｒｖｅ）：１９８４年発行の、Ｒｕｔｓｃｈｅｒ／Ｄｅｕｔｓｃｈの、「Ｐｌａｓｍａｔｅｃｈｎｉｋ，Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ　ｕｎｄ　Ａｎｗｅｎｄｕｎｇ」の５２〜５３ページ参照）に依存する。例えば、２Ｐａを超えない低い圧力で、例えば、ｄ＜１００ｃｍの典型的な電極空間の場合には、プラズマを点火するには、１０ｋＶを超える点火電圧が必要である。対照的に、例えば、もっと高い圧力で動作する蛍光ランプの場合には、点火電圧が極度に高いために、プラズマを点火するために高電圧を使用することは実際には不可能であるか、または少なくとも非常に困難である。しかし、プラズマの圧力が増大すると、低い点火電圧でも容易に点火することができる。動作がパッシェン曲線の左側で行われる場合には、すなわち、圧力ｐが１Ｐａより低い場合には、低い点火電圧でも容易に点火することができる。約０．０５Ｐａより高い圧力の場合には、イオンの自由行程の長さは約１ｃｍより短くなる。それにより、イオンは、処理対象の基板の中途で頻繁にガス分子と衝突し、非常に大きなエネルギーを失うので必要な効果は得られない。すなわち、実際には、イオンは発生しない。

　補助凹部内の圧力が、中空のカソード内の圧力の２倍である補助凹部を備えるイオン源も周知である（ＳＵ特許１４０２　１８５）。しかし、この補助凹部は、点火の働きをしない。他の周知のイオン源も同じである（ＲＵ　１　７４５　０８０，ＲＵ　２　０３０　０１５）。

　いわゆる点火補助装置を使用しても、プラズマを容易に点火することができる。点火補助装置は、例えば、高温カソード、放射性物質または古典的火花プラグの働きをする。しかし、これらの点火補助装置の保守にはお金がかかり、コストが高いものにつく。電源電圧だけの保守コストは安く、コスト・パフォーマンスがよい点火手段と見なすことができる。

　しかし、主放電チャンバよりも高い圧力を有するサブ放電チャンバの形をした点火補助装置も周知である（ＪＰ　６１　１２４０２９　Ａ）。これにより、サブ放電チャンバのプラズマは、主放電チャンバに不均質な状態で到着する。

　さらに、ガスが、オリフィス・プレートを通してプラズマ本体内に入るガス分散本体を備えるプラズマ生成デバイスも周知である（ＵＳ　２００２／００４７５３６　Ａ１）。これにより、プラズマ分散本体が、オリフィス・プレートとプラズマ本体の壁部により形成され、それにより、オリフィス・プレートと壁部が電気的に接続される。

　本発明は、プラズマ本体内の圧力を有意に増大しなくても、信頼性の高い点火が行われ、全プラズマ本体にわたって点火が均等に行われるプラズマ源供給の問題を解決する。

　この問題は、請求項１の特徴により解決される。

　それ故、本発明は、そのプラズマが電圧により点火されるプラズマ源に関する。比較的低い電圧で点火を行うことができるように、穿孔を有するプレートが、プラズマ・チャンバの壁の上に位置するプラズマ本体の下に設置されている。プラズマ本体の下に位置するこのプレートを通して、供給電圧によりプラズマが最初に点火するプラズマ本体内より高い圧力で点火本体が形成される。その後で、点火は、プレートの穿孔を通してプラズマ本体内に伝搬する。

　本発明の重要な利点は、プラズマ本体内の圧力を増大しなくても、または圧力を最小限度増大するだけで、また、単に高周波電圧を掛けるだけでプラズマを点火することができることである。さらに、アーク放電をかなり低減することができることである。

　図面は本発明の例示として一実施形態を示しているが、この実施形態について以下にさらに詳細に説明する。

　図１は、基板をコーティングまたはエッチングすることができる真空ハウジング１である。これらの基板は略図には示していない。これらの基板は、真空ハウジング１内に位置するプラズマ源２に対向して位置している。プラズマ源２は、誘導ループ４およびカソード・プレート５を収容しているチャンバ３を備える。誘導ループは、１つまたはいくつかの巻線を有するコイルから作ることができる。１つの巻線からできている場合には、プラズマを囲む円形の湾曲した金属シートの形に形成される。チャンバ３の周囲には、図１では垂直方向に延びる磁界を発生することができるコイル６が設置されている。カソード・プレート５は、誘導ループ４の下に位置していて、電気的絶縁密閉リング７を通してチャンバ３の底部２１に接続している。チャンバ３は、制御グリッド８のところまで上方に延びていて、例えば、真空ハウジング１の電位になっている。イオン・エネルギーは、カソード・プレート５の電位により調整される。制御グリッド８は、図示していない調整できる電圧源に接続している。１つの制御グリッドの代わりに、あるグリッドの後ろに他のグリッドを置くという方法で、いくつかの制御グリッドを設置することができる。好適には、金属シートとして形成することが好ましい誘導ループ４は、その中心軸が垂直な状態でこの制御グリッド８まで延びる。

　高周波電圧源９は、真空ハウジング１の外側に位置していて、その１つの極１０で真空ハウジング１に接続していて、他の電極１１でカソード・プレート５および誘導ループ４に接続している。チャンバ３の底部２１の中心には、開口部２０が位置していて、これにガス入口チューブ１２が接続している。ガス入口チューブ１２は、また、極１０の電位にある。

　本発明で最も重要なことは、カソード・プレート５がいくつかの貫通孔１３，１４を備えていることであり、そうでない場合、スペースのところで、チャンバ３の底部２１と、不浸透状態で、しかし電気的に絶縁状態で接続していることである。ガス入口チューブ１２を通して、ガス１５は、最初、チャンバ３の底部２１とカソード・プレート５の間の領域１６に流入する。ガスは、徐々にだが、貫通孔１３，１４を通してカソード・プレート５上の領域１７、すなわち、プラズマ本体に到着する。これにより、領域１６内に領域１７より高い圧力が発生する。それ故、領域１７内の圧力を増大しないでも、領域１７内で点火することができる。プラズマが領域１６内で点火すると、誘導コイル内でイオン化されたプラズマ１８が形成されるように、点火が低い圧力で領域１７に一気に広がる。領域１６は、カソード・プレート５上の領域１７よりかなり小さい点火チャンバを形成する。カソード・プレート５と底部２１の間のスペースは、パッシェン曲線の電極スペースに対応する。実際には、このスペースは、例えば、５ｍｍにしか過ぎない。何故なら、スペースがもっと広いと、領域１６内の容積が大きくなりすぎるからである。点火チャンバを形成する領域１６の面積は、カソード・プレート５の最大部分にガス流が供給されるようにできるだけ広くなければならない。それ故、点火チャンバ面積を狭くしても点火チャンバの容積を最小にすることはできない。点火チャンバの容積を最小にするには、スペースを狭くするしかない。点火チャンバの容積が大きすぎると、高周波電圧源９のエネルギーの大部分が、点火チャンバのプラズマ内に導入され、それにより、領域１７内のプラズマが大きく減衰し、それによりイオン・ビームが大きく減衰する恐れがある。

　カソード・プレート５をガス・シャワー・ヘッドとしてレイアウトすることにより、領域１７に入るガス流は、また、明らかに、カソード・プレートが絶縁層でコーティングされるのを防止し、その結果、いったん点火した場合、プラズマはより安定して燃焼し、アーク放電を起こさない。試験が示しているように、プラズマ源は、０．０５Ｐａの圧力パルスでうまく点火するが、従来は５Ｐａの圧力パルスが必要であった。

　点火チャンバ、すなわち、領域１６内の圧力は、例えば、５０ｓｃｃｍのような通常使用するガス流の場合、パッシェン曲線の最小値付近に達する。この最小値は１０Ｐａと１００Ｐａとの間である。圧力は、カソード・プレート５の断面積およびその孔部１３，１４の数により調整することもできるし、ガス流を変化させて調整することもできる。点火プロセス中に必要な若干の圧力増大は、ガス流を増大することにより行われる。

　図１においては、カソード・プレート５は、半径方向に対称的に形成される。すなわち、約５２の穿孔を有する丸いプレートである。図１には加工する基板は示されていない。基板は、真空ハウジング１の上部壁部の下に接近して設置される。真空ハウジング１内のプラズマ源２の隣に、ＳｉＯ_２の気化が行われる気化器（図示せず）を設置することができる。それ故、ＳｉＯ_２も、設置中残りのガス分子により、また、気化したシリコン分子の分散により間接的にイオン源に到着する。プラズマ源により発生したイオン・ビームは、基板上で蒸着した層を濃縮する働きをする。

　好適には、酸素およびアルゴンをガス１５として使用することが好ましい。酸素は、基板上に塗布された層を後酸化するのに必要であり、アルゴンは、プラズマ源の点火を容易にする。図１の例の場合には、点火本体１６は、チャンバ３の底部２１とカソード・プレート５との間に形成される。しかし、チャンバ３の側壁部上に点火本体を設置することもできる。凹部が側壁部内にミリングされ、誘導ループ４により密閉された場合には、多くの小さな孔が、金属シートとして形成された誘導ループ内に開けられ、点火補助装置としての働きをする側部チャンバも形成される。誘導ループ４は、この場合、カソード・プレート５と同じ電位を有する。

　図１の場合には、プラズマ源２は誘導により結合している。しかし、ＤＥ　１００　０８　４８５　Ａ１が開示しているように、追加の静電結合も行うことができるし、または、電磁波による任意の必要な放射を行うこともできることを理解されたい。

　しかし、図２に示すように、カソード・プレートは、また、パイの形にすることもできるし、５２の穿孔を有することもできる。

真空チャンバ内に位置するプラズマ源である。 プラズマ源で使用されるプレートである。

Claims (23)

1. 　プラズマが発生するチャンバ（３）と、
   　前記チャンバ（３）の壁部（２１）から離れた位置にあるプレート（５）とを備え、
   　貫通孔（１３，１４）を備えるこのプレート（５）によりプラズマ本体（１７）内にガスが流入することができ、
   　それにより、このプレート（５）が、前記チャンバ（３）の壁部（２１）と一緒に密封本体（１６）を形成し、この壁部（２１）内にガス入口（１２）が供給されるプラズマ源であって、
   　前記プレート（５）が、電気絶縁体（７）を通して前記壁部（２１）と接続していることと、電圧源（９）が、前記プレート（５）と前記壁部（２１）との間に供給されることを特徴とするプラズマ源。
2. 　前記電圧源（９）が、高周波電圧源であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
3. 　前記チャンバ内に、前記プレート（５）上に設置される誘導ループ（４）が位置することを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
4. 　前記誘導ループ（４）により囲まれている空間内に静磁界を発生するデバイス（６）が設置されていることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマ源。
5. 　前記デバイス（６）がコイルであることを特徴とする、請求項４に記載のプラズマ源。
6. 　前記電気絶縁体（７）もシーリングであることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
7. 　前記プレートが、等間隔で配置されている直径約１ｍｍの約５２の貫通孔を備えることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
8. 　前記誘導ループ（４）が、前記高周波電圧源（９）と電気的に接続していることを特徴とする、請求項２および３に記載のプラズマ源。
9. 　前記プレート（５）および前記誘導ループ（４）が、前記高周波電圧源（９）の一方の極に接続していて、一方、前記チャンバ（３）が、前記高周波電圧源（９）の他方の極に接続していることを特徴とする、請求項１、２、３に記載のプラズマ源。
10. 　前記プレート（５）が、頂部から見た場合、円錐形をしていることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
11. 　真空ハウジング（１）内に位置していることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
12. 　前記チャンバ（３）内に１Ｐａを超えない圧力ｐが発生することを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
13. 　前記発生したプラズマが、本質的にイオン・ビームであることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
14. 　前記チャンバ（３）の壁部が底部であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
15. 　前記チャンバ（３）の壁部が側壁部であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
16. 　前記誘導ループ（４）が、１つの巻線しか備えていないで、湾曲した金属シートからなることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマ源。
17. 　前記誘導ループ（４）が、前記プレート（５）の機能を有し、貫通孔を備えることを特徴とする、請求項１５および１６に記載のプラズマ源。
18. 　前記プレート（５）がディスクの周囲に位置することを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
19. 　前記本体（１６）が、前記プレート（５）と前記壁部（２１）との間に点火チャンバを形成し、該点火チャンバが、前記プレート（５）上に位置する前記プラズマ本体（１８）より小さいことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ源。
20. 　前記点火チャンバ（１６）内の圧力が、前記プラズマ本体（１８）内の圧力より高いことを特徴とする、請求項１９に記載のプラズマ源。
21. 　前記点火チャンバ（１６）内の圧力が、通常のガス流で、圧力がパッシェン曲線の最小範囲内にあるように選択されることを特徴とする、請求項２０に記載のプラズマ源。
22. 　前記最小範囲が、０．１〜１ミリバールであることを特徴とする、請求項２１に記載のプラズマ源。
23. 　前記圧力が、前記プレート（５）内の貫通孔の断面および数により調整することができることを特徴とする、請求項２１に記載のプラズマ源。

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