JP2004259608A - マイクロ波プラズマ発生装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機器構成が簡単で操作性が良く、マイクロ波を効率よく導入して高密度プラズマを生成することのできるマイクロ波プラズマ発生装置およびその運転方法を提供する。
【解決手段】内部に所定のガスが導入されてプラズマが生成される放電容器１と、この放電容器１に接続され前記放電容器内にマイクロ波を導入する導波管４とを備えたマイクロ波プラズマ発生装置において、前記導波管４と前記放電容器１の接続部に前記導波管４のＥ面方向に平行に線状導体１６を設けた構成とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波によってプラズマを励起し、このプラズマからイオンを取り出して、種々の装置のイオン源として用いられるマイクロ波プラズマ発生装置およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波プラズマ発生装置は、核融合のための中性粒子入射加熱装置のイオン源や、半導体装置の製造に使用されるプラズマドライエッチング装置、及ぴプラズマ気相成長装置等のプラズマ源等に用いられている。そして、数百Ｗ以上の大電力のマイクロ波を放電容器内に導入してプラズマを生成するマイクロ波プラズマ発生装置では導波管が用いられている。
【０００３】
以下、従来のマイクロ波プラズマ発生装置を３例紹介する。
図４は第１の従来例である。１は放電容器であり、この放電容器１の一方のフランジ２には、図示されていないマイクロ波発振器から、放電容器１内にマイクロ波を真空窓３を透過させて導入する矩形の導波管４の片端部が取着されている。真空窓３の材質はマイクロ波の通過に対して透明なアルミナセラミクスである。５，５ａは放電容器１の外面に配設された永久磁石で、放電容器１内に磁場を形成する。また、放電容器１内には図示しないガス導入口から所定のガスが導入され、マイクロ波と磁場の相互作用によって放電が発生しプラズマが生成される。
【０００４】
放電容器１のもう一方のフランジ６には、プラズマ中のイオンを引き出すための複数枚の引出し電極８，８ａが設置されている。引出し電極８，８ａにはイオンを通過させるための多数の引出孔９が穿たれており、引出し電極８，８ａ間にはイオンを所定のエネルギーに加速するための電圧が絶縁材７，７ａを介して加えられる。
【０００５】
ところで、図４の構成の場合は、真空窓３のアルミナセラミクスがプラズマの熱やプラズマ粒子の衝撃にさらされ、場合によっては破損する。そのため、生成するプラズマ密度に制限が加わり、高密度プラズマを生成することができない。
【０００６】
図５は、真空窓３を保護するための対策を施した第２の従来例であり、真空窓３は折曲げした形の導波管であるＨコーナ１０やＥコーナ１１によって、プラズマを直視しない位置におかれている（特許文献１参照）。しかしこの配置の場合は図６に示すように、放電容器１内のプラズマが、Ｈコーナ１０やＥコーナ１１の内部に進入する。導波管内にプラズマが存在すると、真空窓を通過して進行してきたマイクロ波はプラズマ表面近傍で一部が反射されてしまう。そのため放電容器１へ効率よくマイクロ波を投入できない。
【０００７】
図７と図８は、前記問題点を克服するための対策を施した第３の従来例であり、放電容器１と導波管（図ではＥコーナ１０）との間に絶縁材７を配置し、さらに直流電源１２で導波管を放電容器１より高電位とする。高電位にするとプラズマ中のイオンに対し静電障壁が形成され、導波管内へのプラズマの進入が抑えられ、大電力のマイクロ波を放電容器１へ容易に投入することができる。図８において、１３は引出し電極８とプラズマとの間の電圧を調節するための直流電源で、イオンの引出しを調整する。１４は引き出したイオンを加速するための電源である。
【０００８】
しかし、この第３の従来例でも新たな問題点があらわれる。すなわち、放電容器１と導波管（Ｅコーナ１０）とを絶縁したために、放電容器１とマイクロ波発振器を別電位としなければならない。そのためイオン源の各種制御系、冷却系も別の配線、配管が必要になるなど機器構成が複雑になる。さらに引出し電極８，８ａ間で絶縁破壊が起こった際に、放電容器１の電位の機器と、マイクロ波発振器の電位の機器との間に、まれに高電圧が加わることがあり機器を破壊することがある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−８５９９３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、放電容器と導波管を異なる電位としたときには、機器構成や操作が複雑になるほか、予測外の絶縁破壊を招いて機器を損傷することがある。 そこで本発明は、機器構成が簡単で操作性が良く、マイクロ波を効率よく導入して高密度プラズマを生成することのできるマイクロ波プラズマ発生装置およびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内部に所定のガスが導入されてプラズマが生成される放電容器と、この放電容器に接続され前記放電容器内にマイクロ波を導入する導波管とを備えたマイクロ波プラズマ発生装置において、前記導波管と前記放電容器の接続部に前記導波管のＥ面方向に平行に線状導体を設けた構成とする。
請求項２の発明は、前記線状導体は前記放電容器および前記導波管と電気的に絶縁されたフランジに取り付けられている構成とする。
【００１２】
請求項３の発明は、前記線状導体は、内部に冷媒を通流する孔を有する構成とする。
請求項４の発明はマイクロ波プラズマ発生装置の運転方法であり、前記線状導体に、前記放電容器に対し正の電位を与える構成とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明の第１の実施の形態のマイクロ波プラズマ発生装置は図１に示すように、放電容器１は直径１５ｃｍ、軸方向長さ１５ｃｍの略円筒状であり、その一方のフランジ２ａは、中央部分にマイクロ波導入口１５が形成されている。このマイクロ波導入口１５には、矩形の導波管４がその片端部を放電容器１内に開口するように取着されており、この片端部には複数の線状導体１６がＥ面方向に張設されている。ここで、矩形の導波管４の断面は通常長方形であり、長辺方向をＥ面、短辺方向をＨ面とする。
【００１４】
導波管４の他端部は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生する図示されていないマイクロ波発振器に接続されている。そしてマイクロ波発振器からのマイクロ波は、導波管４内を伝搬し、マイクロ波導入口１５を通過して放電容器１内に導入される。
【００１５】
また放電容器１の筒状部の外壁面には、磁場形成手段であるＳｍ−Ｃｏの円環状の２個の永久磁石５，５ａが、フランジ２，６の近傍に配設されている。これら一対の永久磁石５，５ａは半径方向の相反する向きに着磁されており、一方のの永久磁石５ａは内径側がＮ極で外径側がＳ極に、他方の永久磁石５は内径側がＳ極で外径側がＮ極になっている。このため、磁力線が大きく放電容器１内の中心軸方向に張り出すように形成される。
【００１６】
放電容器１の内部は、図示されていない排気装置によって０．１Ｐａ台の所定の圧力となるように減圧され、この圧力が維持されながら、図示しないガス導入口からプラズマを生成する水素ガスまたは重水素ガスがガス源から導入される。所定のガス雰囲気にした後、図示されていないマイクロ波発振器から導波管４内を、途中真空窓３を透過して伝搬してきた２．４５ＧＨｚのマイクロ波が、放電容器１内にマイクロ波導入口１５を通じて導入される。マイクロ波は磁場との相互作用により放電容器１内に放電プラスマを生成する。
【００１７】
また放電容器１の他方のフランジ６には、複数の絶縁リング７，７ａを介在させて引出し電極８，８ａが取着されている。引出し電極８，８ａは、放電容器１の軸方向をイオン引出方向とするようにしてイオン引出しを行なう引出孔９が中央部分に多数対応して形成されている。引出し電極８，８ａには、イオンを引き出し加速させるための所定電圧が加えられている。生成されたプラズマ中の水素イオンは、引出孔９を通過しながら加速されて外部に水素イオンビームとして引き出される。
【００１８】
ところで矩形の導波管４のマイクロ波導入口１５近くには、導波管４のＥ面方向に平行に細い線状導体１６が約２ｍｍ間隔で複数本配設されている。配設された方向がＥ面方向であるため、マイクロ波の通過にはほとんど影響がない。
【００１９】
矩形の導波管４におけるマイクロ波の伝播にとって重要な寸法は、その断面の長辺であるＥ面方向の長さであり、その直角方向のＨ面方向の寸法は任意である。したがって、Ｅ面に平行に配置した線状導体１６は、マイクロ波の通過に大きくは影響しない。これに対し線状導体１６の存在は、プラズマの移動に対しては障害物になる。Ｅ面方向に平行に配置した線状導体１６によって、マイクロ波の通過を損なうことなく、プラズマが導波管４の方向へ移動することを抑制することができる。
【００２０】
放電容器１内のプラズマ密度、電子温度をそれぞれ１×１０^−１２ｃｍ^−３、８ｅＶ程度とすると、デバイ距離は２ｍｍ前後である。線状導体１６の間隔とデバイ距離を同程度とすることにより、プラズマに対しては線状導体１６は遮蔽物となり、導波管４内へのプラズマの進入は抑制される。
【００２１】
この第１の実施の形態のマイクロ波プラズマ発生装置によれば、導波管４と放電容器１とを同電位に保ったままで、導波管４内へのプラズマの進入を抑制することができ、機器構成が複雑になることなく、操作性もよい。そして、放電容器１内に高密度プラズマや大面積プラズマの生成を行うことができ、外部に引き出せるＨ＋ビームの電流も大きいものとすることができる。
【００２２】
つぎに図２を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。この実施の形態は、放電容器１のフランジ２と導波管４のフランジ２ａの間に絶縁材７ｂを介在させ、直流電源１２によって導波管４を放電容器１に対し正の電位にする。１３は引出し電極８とプラズマとの間の電圧を調節するための直流電源であり、イオンの引出しを調整する。１４は引き出したイオンを加速するための電源である。
【００２３】
この実施の形態においては、放電容器１と導波管４のあいだに形成される静電障壁および線状導体１６によって、プラズマが放電容器１から導波管４へ侵入するのをさらに効果的に抑制することができる。
【００２４】
ところでこの第２の実施の形態では線状導体１６を放電容器１に対して正にバイアスした結果、線状導体１６はプラズマの電子の流入を受けて加熱される。この加熱を防ぐためには、線状導体１６を中空の管として内部に冷却水を通すのが効果的である。
【００２５】
つぎに図３を参照して本発明の第３の実施の形態を説明する。すなわち、放電容器１のフランジ２と導波管４のフランジ２ａの間に絶縁材７ｂ，７ｃを介してフランジ２ｂを設け、このフランジ２ｂに複数の線状導体１６を取り付けた構成とする。さらに放電容器１と導波管４を同電位とし、フランジ２ｂを放電容器１に対し正の電位とする。
この第３の実施の形態においては、放電容器１とマイクロ波発振器は同電位で操作できるほか、イオン源の制御系や冷却系も複雑な構成を避けることができる。
【００２６】
なお、本発明は上記３つの実施の形態に限定されるものではなく、イオン源の他にマイクロ波プラズマを用いた半導体製造装置や化学処理装置などのマイクロ波プラズマ発生装置にも適用され、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、機器構成が簡単で操作性が良く、マイクロ波を効率よく導入して高密度プラズマを生成することのできるマイクロ波プラズマ発生装置およびその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のマイクロ波プラズマ発生装置を示し、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢斜視図。
【図２】本発明の第２の実施の形態のマイクロ波プラズマ発生装置を示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態のマイクロ波プラズマ発生装置を示す断面図。
【図４】従来の第１の例のマイクロ波プラズマ発生装置を示す断面図。
【図５】従来の第２の例のマイクロ波プラズマ発生装置を示す斜視図。
【図６】従来の第２の例のマイクロ波プラズマ発生装置の問題点を説明する図。
【図７】従来の第３の例のマイクロ波プラズマ発生装置を示す断面図。
【図８】従来の第３の例のマイクロ波プラズマ発生装置を示す斜視図。
【符号の説明】
１…放電容器、２，２ａ，２ｂ…フランジ、３…真空窓、４…導波管、５，５ａ…永久磁石、６，６ａ…フランジ、７，７ａ，７ｂ，７ｃ…絶縁材，８，８ａ…引出し電極、９…引出孔、１０…Ｈコーナ、１１…Ｅコーナ、１２，１３，１４…直流電源、１５…マイクロ波導入口、１６…線状導体。

Claims (4)

1. 内部に所定のガスが導入されてプラズマが生成される放電容器と、この放電容器に接続され前記放電容器内にマイクロ波を導入する導波管とを備えたマイクロ波プラズマ発生装置において、前記導波管と前記放電容器の接続部に前記導波管のＥ面方向に平行に線状導体を設けたことを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
2. 前記線状導体は前記放電容器および前記導波管と電気的に絶縁されたフランジに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
3. 前記線状導体は、内部に冷媒を通流する孔を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
4. 前記線状導体に、前記放電容器に対し正の電位を与えることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置の運転方法。

Images