JP2005235677A

JP2005235677A - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP2005235677A
Application number: JP2004045944A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Kito; 了治木藤; Noriyuki Takato; 範之高遠
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】
確実にプラズマを発生させ、その状態を安定に保つことが可能なプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】
高周波電源２を設けてプラズマ１８が着火した際の空洞共振器の共振周波数に一致した発振周波数を供給し、チューナー７は高周波電源２の発振周波数において高周波電源２とプラズマ１８が着火したチャンバー５との整合をとるように設定する。チャンバー５への電力供給は高周波電源１と高周波電源２から略同時に行い、プラズマ１８が着火した際に高周波発生源３への反射波電力が大きくなることを検波器１０で検知して制御器１２は高周波電源１からの供給電力を低下または停止するように制御を行う。高周波電源２はプラズマ１８が着火した際に高周波発生源４への反射波電力が小さくなることを検波器１１で検知して制御器１２はプラズマ１８が所定の状態になるように供給電力を制御する。

【選択図】図１

Description

本発明は電磁波を用いてプラズマを発生させるプラズマ発生装置に係り、特に、プラズマの安定化を可能とするプラズマ発生装置に関する。

従来技術の動作を説明する。高周波発振源で発生した高周波は導波管により伝送され、空洞共振器に供給される。次いで空洞共振器の内部寸法によって定まる空洞共振器の共振周波数と高周波周波数が一致することにより、空洞共振器に高い電界が発生する。空洞共振器に発生した電界は空洞共振器に開けられた結合孔から誘電体部品を経て処理室に加えられ、処理室にプラズマが発生し、被処理基板をプラズマ処理する。
特開平４−３５８０７８

しかしながら、従来の技術では、空洞共振器の寸法で決定する共振周波数と高周波周波数とを一致させることで処理室に高い電界を加えてプラズマを発生させているが、処理室と空洞共振器が結合孔と誘電体部品で結合しているため、プラズマ発生後の空洞共振器の共振周波数は高周波周波数とは一致せず、処理室に高い電界を加え続けることはできなかった。

また、高周波発生源と空洞共振器間に整合器を設置し、インピーダンス整合を変更することによりプラズマ着火前後の共振周波数の変化に伴うインピーダンス変化に対応している技術もあるが、共振周波数と高周波周波数が一致していない状態であるため、整合器の整合状態を高精度に調整する必要性がある。また、場合によっては整合が取れず高周波発振源から空洞共振器に入力した高周波電力が反射するため、電力効率が低下し、大電力を高周波発振源から入力しないとプラズマ密度を上げることが出来ない。

本発明の目的は、チャンバー内に構成した空洞共振器の共振周波数と略一致した発振周波数を高周波電源から供給するプラズマ発生装置において、プラズマ着火前後の空洞共振器の共振周波数と一致した高周波電源の出力をそれぞれ入力し、確実にプラズマを発生させ、その状態を安定に保つことが可能なプラズマ発生装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく請求項１記載のプラズマ発生装置は、プラズマ着火前後の空洞共振器の共振周波数ｆ１及びｆ２を略同時に空洞共振器に注入させプラズマを発生させる。

上記目的を達成すべく請求項２記載のプラズマ発生装置は、プラズマが着火に必要とされる着火時間をあらかじめ制御器に入力し、前記着火時間を検知した際に前記高周波電源より供給される前記共振周波数の一方を停止させる機能を備えた。

上記目的を達成すべく請求項３記載のプラズマ発生装置は、プラズマの着火を検知するセンサーを備えた請求項１記載のプラズマ発生装置。

上記目的を達成すべく請求項４記載のプラズマ発生装置は、プラズマの着火前後における反射波電力変化を検波器にて感知した際、前記高周波電源より供給される前記共振周波数の一方を停止させる機能を備えた請求項１記載のプラズマ発生装置。

上記目的を達成すべく請求項５記載のプラズマ発生装置は、高周波電源がソリッドステートで構成されたことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のプラズマ発生装置

上述の通り、本発明によれば、プラズマ着火前後の周波数ｆ１とｆ２がほぼ同時に空洞共振器内部に放出されるため、発生したプラズマが失火することなく確実にその状態を安定に保つことが可能なプラズマ発生装置を提供することができる。

請求項２または３記載の発明により、プラズマ着火後においてプラズマ着火前に必要であった共振周波数を停止させることが可能となり、装置の低電力化につながる。

請求項４記載の発明により、常に空洞共振器に高周波電力を最大効率で供給でき、かつ、瞬時に高密度な電子密度を有するプラズマを形成することが可能となり、かつ、空洞共振器に共振周波数を機構的に調整する手段を用いずに空洞共振器の共振状態を利用したプラズマ発生装置を実現することが可能となる。

請求項５記載の発明により、空洞共振器の寸法精度、誘電体部品、空洞共振器内プラズマ処理物などによる共振周波数のばらつきに対し高周波発振源の発振周波数を調整して共振周波数と発振周波数とを一致することが可能となり、かつ、出力電力値が変化しても発振周波数が変化することが無いため、安定したプラズマを形成することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態・実施例

以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。図１に本発明の第1の実施例を示す。図１において１と２は高周波電源、３と４は高周波発生源、５は高周波電源から電力を供給されるチャンバー、６は高周波発生源３とチャンバー５との整合を取る為のチューナー、７は高周波発生源４とチャンバー５との整合を取る為のチューナー、８は高周波発生源３とチャンバー５間の進行波電力と反射波電力を検出する方向性結合器、９は高周波発生源４とチャンバー５間の進行波電力と反射波電力を検出する方向性結合器、１０は方向性結合器８からの進行波電力と反射波電力を検波する検波器、１１は方向性結合器９からの進行波電力と反射波電力を検波する検波器、１２は検波器１０と検波器１１からの検波値を元に高周波発生源３と高周波発生源４とチューナー６とチューナー７またはそのいずれかに制御信号を送る制御器、１３は高周波電源１からの電力をチャンバー５に入力するアンテナ、１４は高周波電源２からの電力をチャンバー５に入力するアンテナ、１５と１６はチャンバー５の気密性を保つ為の誘電体部品、１７は高周波電源１または２の周波数で共振しプラズマが発生する空洞共振器、１８はチャンバー５内で発生するプラズマである。

空洞共振器１７はアンテナ１３と１４の長さ方向を軸とする円筒状にチャンバー５から削りだしすることにより形成し、その空洞共振器の内径寸法(半径ａ)は図２に示すような空洞共振器のＴＭ_０１０モードが発生するための共振周波数ｆｒｅｓ＝ｃ×ｐ‘_０１／２πａ（ε_ｒ）^１／２から求めた値とする(ｃ：光速、ｐ’_０１：ベッセル関数の根ｐ‘_０１＝２．４０５、ε_ｒ：チャンバー内充填ガスの比誘電率)。高周波電源１の発振周波数は空洞共振器１７の共振周波数と等しくなるように高周波電源の発振周波数または空洞共振器１７の共振周波数を調整する。チューナー６は高周波電源１の発振周波数で高周波電源１とチャンバー５との整合するように設定を行う。これにより高周波電源１はプラズマ１８が着火する前のチャンバー５に効率よく電力を供給可能となる。不図示のガス供給装置から空洞共振器内に供給されるガスの比誘電率はプラズマ着火前では真空状態と略等しくε_r=1でプラズマ１８が着火すると１以下の値となる。つまり図３に示すように、プラズマ１８が着火したときの上記空洞共振器１７の共振周波数は着火前に対して高くなり、高周波電源の発振周波数と空洞共振器１７の共振周波数は異なる値となると共に高周波電源１のチャンバー５に対する電力供給効率は低下し、更に高密度な電子密度を有するプラズマ１８の状態では共振周波数が更に高くなるため、同一の発振周波数を用いた場合は非常に大きな電力を供給する、または、非常に高精度なチューナー６による整合を取るしか手段が無い。実際は空洞共振器１７に供給される電力が不足するためこのような高密度なプラズマ１８を実現することは不可能である。

上記理由より、図1の形態では高周波電源２を設けてプラズマ１８が着火した際の空洞共振器の共振周波数に一致した発振周波数を供給し、チューナー７は高周波電源２の発振周波数において高周波電源２とプラズマ１８が着火したチャンバー５との整合をとるように設定する。チャンバー５への電力供給は高周波電源１と高周波電源２から略同時に行い、プラズマ１８が着火した際に高周波発生源３への反射波電力が大きくなることを検波器１０で検知して制御器１２は高周波電源１からの供給電力を低下または停止するように制御を行う。高周波電源２はプラズマ１８が着火した際に高周波発生源４への反射波電力が小さくなることを検波器１１で検知して制御器１２はプラズマ１８が所定の状態になるように供給電力を制御する。このように設計することにより、常にチャンバー５に高周波電力を最大効率で供給でき、かつ、瞬時に高密度な電子密度を有するプラズマ１８を形成することが可能となり、かつ、チャンバー５に共振周波数を機構的に調整する手段を用いずに空洞共振器１７の共振状態を利用したプラズマ発生装置を実現することが可能となる。

上記の高周波電源１と高周波電源２からの電力供給を可能とするために、チューナー６とチューナー７はそれぞれ高周波電源１の発振周波数と高周波電源２の発振周波数でのみ整合が取れている状態にする、またはプラズマ１８が着火する前はチューナー７を高周波電源１から見て不整合状態に設定し、プラズマ１８が着火した後はチューナー６を高周波電源２から見て不整合状態に設定するように上記制御器１２の制御方法に従い制御を行う。このように設定することで、高周波電源１と高周波電源２相互に漏洩する電力を抑圧することが可能となり、高周波発生源１と高周波発生源２またはそのいずれかに必要なアイソレータ等の反射波電力や漏洩電力から保護する回路を取り除くまたは低電力仕様にすることが可能となり、コストを削減することが可能となる。

上記の高周波発生源３と高周波発生源４は従来のマグネトロン方式の高周波発生源以外に半導体部品で構成したソリッドステート方式の高周波発生源でも構成することが可能である。このように設計することにより、チャンバーの共振周波数に一致した発振周波数が実現可能となり、かつ、空洞共振器１７の寸法精度や誘電体部品１５や誘電体部品１６や空洞共振器１７内の不図示プラズマ処理物などによる共振周波数のばらつきに対し高周波発振源１と高周波発振源２またはそのいずれかの発振周波数を調整して共振周波数と発振周波数とを一致することが可能となり、かつ、出力電力値が変化しても発振周波数が変化することが無いため、安定したプラズマ１８を形成することが可能となる。

上記の誘電体部品１５と誘電体部品１６は空洞共振器１７内にＴＭ_０１モードで電力を供給する電力伝送路としても機能しており、空洞共振器１７と同様にアンテナ１３またはアンテナ１４の長さ方向を軸とする円筒形状に構成しており、誘電体部品１５と誘電体部品１６の内径(半径ｂ)は高周波電源１の発振周波数ｆ１＝ｃ×ｐ‘_０１／２πｂ（ε_ｄ）^１／２から(ｃ：光速、ｐ’_０１：ベッセル関数の根ｐ‘_０１＝２．４０５、ε_ｄ：誘電体部品の比誘電率)求めた寸法とする。このように設計することにより、空洞共振器の共振モードＴＭ_０１０と図２に示すような電力供給モードＴＭ_０１モードが一致しているため、アンテナ１３またはアンテナ１４からの供給する電力を効率よく空洞共振器に供給することが可能となる。更に、アンテナ１３とアンテナ１４はそれぞれ誘電体部品１５と誘電体部品１６に埋設するように設置する。このように設計することにより、誘電体部品１５と誘電体部品１６の空洞共振器側と高周波電源側との気圧差で誘電体部品１５または誘電体部品１６が歪むことを抑制することが可能となり、かつ、誘電体部品１５と誘電体部品１６の厚みを薄くすることができるため供給電力の効率化や誘電体部品の低コスト化が可能となる。

上記のアンテナ１３とアンテナ１４は長さ(長さＬ)がそれぞれ高周波電源１と高周波電源２の発振周波数ｆに対してＬ＝ｃ／（４×ｆ×(ε_ｄ)^１／２）を満たす長さとし（ｃ：光速、ε_ｄ：チャンバー内充填ガスの比誘電率）、アンテナの長さ方向と円筒形状である空洞共振器１７の軸方向と誘電体部品１５の軸方向と誘電体部品１６の軸方向とを略一致する方向になるように設置を行う。このように設計することにより、高周波電源１と高周波電源２どちらから電力を供給しても空洞共振器１７内にＴＭ_０１０モードを共振することが可能となり、プラズマ１８が着火する前後で電力供給を高周波電源１から高周波電源２に変化しても同様なプラズマ１８を維持することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明の第2の実施形態を図４に示す。１７はアンテナ１３とアンテナ１４との中点からアンテナ１３またはアンテナ１４の長さ方向を軸とする円筒状に形成した空洞共振器であり、図５に示すようなTM_１１０モードが発生するための内径寸法に設計し、アンテナ１３とアンテナ１４は TM_１１０モードに存在する２つの電界の中心にそれぞれアンテナの長さ方向が一致するように設置し、アンテナ１３とアンテナ１４をそれぞれ埋設する誘電体部品１５と誘電体部品１６は実施形態１と同様にTM_０１モードで電力を伝送するように設計する。このように設計することにより、高周波電源１と高周波電源２を同一方向に設置することが可能となり、装置全体をコンパクトに設置することが可能で、かつ、TM_０１０モード用の空洞共振器１７に対してTM_１１０モードの空洞共振器１７は内部容積が大きいため大容量のプラズマ１８を生成することが可能で、かつ、実施形態１と同様の効果を奏する。

また、上記の実施形態では空洞共振器１７の形状として、円筒形状を示したが、方形形状または球形形状を用い、空洞共振器１７の共振モードに適合した誘電体部品１５と誘電体部品１６とアンテナ１３とアンテナ１４を用いても同様な効果を奏する。

また、上記の実施形態ではチャンバー５への電力供給手段として、高周波電源１と高周波電源２を用いことを示したが、複数の高周波電源を用いても同様な効果を奏する。

また、上記の実施形態ではチャンバー５への電力供給手段として、高周波電源１と高周波電源２を用いことを示したが、高周波電源１の高周波発振源３の発振周波数とチューナー６の整合を制御器１２で制御しても同様な効果を奏する。

更に制御器１２の動作に関わる第３の実施形態を図６に示す。１９は制御器に時間情報を送るタイマーである。高周波電源１と高周波電源２からチャンバー５に電力を供給したタイミングでタイマー機能が作動し、あらかじめプラズマ１８が着火に必要とする着火時間を制御器に入力し、タイマーからの時間情報が着火時間を検知したときに高周波発振源３と高周波発振源４とチューナー６とチューナー７またはそのいずれかに制御信号を送る。このような設計にすることにより、方向性結合器８と方向性結合器９と検波器１０と検波器１１を取り除くことが可能で、コストを削減することが可能となる。

更に制御器１２の動作に関わる第４の実施形態を図７に示す。２０は光センサーや静電プローブ等を利用したプラズマ感知センサである。高周波電源１と高周波電源２からチャンバー５に電力を供給することにより発生するプラズマ１８をプラズマ感知センサ２０で感知し、高周波発振源３と高周波発振源４とチューナー６とチューナー７またはそのいずれかに制御信号を送る。このような設計にすることにより、方向性結合器と検波器を取り除くことが可能で、コストを削減することが可能であり、かつ、プラズマ１８の電子密度とイオン密度と電子温度などのプラズマパラメータを自動で取得することが可能となる。

更に高周波電源１の構成に関わる第５の実施形態を図８に示す。２１は高周波発生源３と高周波発生源４からチャンバー５への電力供給経路を変えるスイッチ回路である。プラズマ１８の着火前の状態では高周波発振源３からチャンバー５に電力を供給し、プラズマ１８が着火前の空洞共振器１７の共振周波数と一致した電力供給を行い、チューナー６は高周波発振源３とチャンバー５との整合を取るように設定されており、プラズマ１８が着火したことを検波器１０で検知し、検波器１０の検波値を元に制御器１２はスイッチ回路２１へ高周波発生源４にスイッチを切り替えるように制御信号を送り、チューナー６へは高周波発生源４とプラズマ１８が着火した空洞共振器１７との整合を取るように設定を変更するように制御信号を送り、高周波発生源３へは電力を抑圧または停止するように制御信号を送る。このように設計することにより、装置を簡略化できる。

更に制御回路１２の制御方法に関する第６の実施形態を図９に示す。２２は高周波発生源３への電力の逆流を抑圧するアイソレータ、２３は高周波発振源４への電力の逆流を抑圧するアイソレータである。高周波電源１と高周波電源２のそれぞれ高周波発生源３と高周波発生源４との同期を制御器１２で取り、同時にプラズマ１８が着火する前の空洞共振器１７の共振周波数と一致した発振周波数の電力をチャンバー５に供給する。この際チューナー６とチューナー７はそれぞれ高周波発生源３と高周波発生源４に対してチャンバー５と整合を取るように設定し、チューナー６とチューナー７を用いて高周波電源１と高周波電源２から供給される高周波電力に位相差を加えることによりチャンバー５内で高周波電力が強めあうように調節する。アイソレータ２２とアイソレータ２３は対角に存在する高周波電源２または高周波電源１から高周波発振源３または高周波発振源４へ逆流する電力を抑圧する。プラズマ１８が着火した以降の高周波電源１と高周波電源２は位相差を保ちつつ空洞共振器１７の共振周波数に一致するように制御器１２により制御される。このように設計することにより、高周波電源１と高周波電源２それぞれの出力する電力を低減することができる、または、チャンバー５内に供給する電力を２倍に増加させることが可能となる。

以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明によれば、空洞共振器の共振周波数とほぼ一致した発振周波数を高周波電源から供給するプラズマ発生装置において、プラズマ着火前後の空洞共振器の共振周波数とほぼ一致した高周波電源の出力をそれぞれ用いて確実にプラズマを発生させ、その状態を安定に保つことが可能なプラズマ発生装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態である。ＴＭ_０１０モードを示す図である。プラズマの状態変化と共振周波数の変化を示す図である。本発明の第２の実施形態である。ＴＭ_０１1モードを示す図である。本発明の第３の実施形態である。本発明の第４の実施形態である。本発明の第５の実施形態である。本発明の第６の実施形態である。従来技術を示す図である。

符号の説明

１，２高周波電源
３，４高周波発生源
５チャンバー
６，７チューナー
８，９方向性結合器
１０，１１検波器
１２制御器
１３，１４アンテナ
１５，１６誘電体部品
１７空洞共振器
１８プラズマ
１９タイマー
２０プラズマ感知センサ
２１スイッチ回路
２２，２３アイソレータ
２４アイソレータ
２５結合孔
２６処理室
２７被処理基板

Claims

高周波電源とアンテナと空洞共振器及びプラズマを生じさせる気体とを備え、前記高周波電源より発生されるエネルギーが前記アンテナを介して前記空洞共振器内部に放出され、当該空洞共振器内部の前記気体にプラズマを生じさせるプラズマ発生装置において、前記プラズマ着火前の前記空洞共振器の共振周波数をもつ第1の高周波エネルギーと前記プラズマ着火後の前記空洞共振器の共振周波数をもつ第2の高周波エネルギーとを前記高周波電源により少なくともプラズマ着火の時点では前記第1の高周波エネルギーと前記第2の高周波エネルギーが前記空洞共振器に放出されていることを特徴とするプラズマ発生装置
前記第１及び第２の高周波エネルギー供給開始から所定時間経過後に前記高周波電源より供給される前記第１の高周波エネルギーを停止させる機能を備えた請求項１記載のプラズマ発生装置
前記プラズマの着火を検知するセンサーを備え、前記プラズマの着火検知後に前記高周波電源より供給される前記第１の高周波エネルギーを停止させる機能を備えた請求項１記載のプラズマ発生装置
前記プラズマの着火前後における反射波電力変化を検波できる検波器を備え、前記検波器にて反射電力変化を感知した際、前記高周波電源より供給される前記第１の高周波エネルギーを停止させる機能を備えた請求項１記載のプラズマ発生装置
前記高周波電源がソリッドステートで構成されたことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のプラズマ発生装置