JP2006186876A - マイクロ波導入器、プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 プラズマを生成する空間を有するチャンバに取り付けられるマイクロ波導入器であって、前記チャンバの壁面から前記プラズマを生成する空間に向けて突出する誘電体の導波体を備え、前記導波体は、先端に向けて直径が小さくなる略円錐台状であることを特徴とするマイクロ波導入器を提供する。
【選択図】 図1
Description
プラズマを生成する空間を有するチャンバに取り付けられるマイクロ波導入器であって、
前記チャンバの壁面から前記プラズマを生成する空間に向けて突出する誘電体の導波体を備え、
前記導波体は、先端に向けて直径が小さくなる略円錐台状であることを特徴とするマイクロ波導入器が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、
プラズマを生成する空間を有するチャンバに取り付けられるマイクロ波導入器であって、
前記チャンバの壁面から前記プラズマを生成する空間に向けて突出する誘電体の導波体を備え、
前記導波体は、先端に向けて直径が小さくなる略円錐台の対向する側面をそれぞれ切り落とした形状であることを特徴とするマイクロ波導入器が提供される。
チャンバと、
前記チャンバに取り付けられた上記のいずれかのマイクロ波導入器と、
を備え、
前記導波体を介して導入されるマイクロ波により前記プラズマを生成する空間においてプラズマを生成可能としたことを特徴とするプラズマ発生装置が提供される。
前記のプラズマ発生装置を備え、
前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
図1は、本発明の第1の具体例にかかるマイクロ波導入器の要部基本構成を説明するための概念図である。
すなわち、本具体例は、減圧プラズマ発生装置に用いることができるマイクロ波導入器を例示する。このマイクロ波導入器は、誘電体からなる導波体100を有する。導波体100は、プラズマを発生させるためのチャンバ300の壁面からチャンバ300の内側の減圧空間に向けて突出するように取り付けられる。この導波体100には、チャンバ300の外側から、導波管200を介してマイクロ波Mが供給される。図1に表した具体例の場合、チャンバ300の内部(同図の右側)の減圧状態を維持するために、導波体100の根元に、導波体100よりも外径の大きい導波体根110が設けられ、Oリング320により気密を確保している。ただし、この導波体根110は本発明において必須ではなく、他の方法により気密を確保してもよい。
図2は、プラズマの密度の変化を説明するための模式図である。同図に表したように、L1からL4の方向にプラズマが遠ざかるにつれてその密度は低下する。これに対して、導波体60の径も順次縮小し、誘電体の中でマイクロ波が励起できるモードの数も減少する。
まず第1に、サイズの問題がある。すなわち、チャンバ300の大型化などを防ぐためには、導波体100はできるだけ短いほうがよい。しかし、逆に、幅広いプラズマ密度範囲において完全にマイクロ波を救出させるためには、ある程度長くて断面寸法の変化が連続的且つ滑らかであり、マイクロ波吸収率の高い導波体が必要である。実用的なサイズを考慮すると、マイクロ波の吸収率が50〜60パーセントでも、できるだけ短い(長さ5〜10センチメータ程度)導波体が望ましい。
ここでは、導波体100の材料として、誘電率3.8の石英を用いた場合について説明する。導波体100は、円錐台状であり、その先端の直径をA、チャンバ内壁から突出する長さをL、チャンバ内壁における直径をB、チャンバ内壁を貫通する部分105の厚みと導波体根110の厚みをそれぞれD、導波体根110の直径をC、マイクロ波Mの自由空間での波長をλとしたときに、概ね以下の範囲が望ましいことが判明した。
A<0.3λ
B<0.499λ
C=0.656λ
D=(5〜10)ミリメータ
L=(0.40〜1.7)×λ
導波体100のサイズを上記の範囲内とすると、導波体100において許容されるマイクロ波の励起モードを、TE11モードと、TM01モードのみに制限できる。
図4は、TE11モードを表す模式図である。
すなわち、円錐台状の導波体100の中において、図4(a)に表したように垂直分極する場合と、同図(b)に表したように水平分極する場合とがあり得る。
これらTE11モードのカットオフ直径は、0.3λである。すなわち、導波体100の直径がマイクロ波の波長の0.3倍の部分において、TE11モードのマイクロ波からプラズマにパワーが高い効率で入力される。従って、TE11モードのカップリングを生じさせるためには、導波体100の先端の直径Aを0.3λよりも小さくすることが望ましい。本発明者の試作検討の結果によれば、直径Aは、(0.13〜0.41)λの範囲とすると良好な結果が得られた。
すなわち、TM01モードにおいては、導波体100の中心から周囲に均等に広がる分極が形成される。
また一方、導波管200としてJIS規格の導波管を用いた場合、その縦横幅の比率が1:2であるために、導波管200において励起されるマイクロ波のモードが制限される。 図6は、導波管200において励起されるマイクロ波のモードを表す模式図である。
すなわち、マイクロ波は、導波管200をその断面から眺めた時に、短辺に対して平行な方向に分極するモードに励起される。このため、図4(b)に表した水平分極のTE11モードと、図5に表したTM01モードは励起されず、図4(a)に表した垂直分極のTE11モードのみが導波体100に励起されることとなる。
図7は、本発明の第2の具体例のマイクロ波導入器の要部を例示する模式図である。すなわち、同図(a)は、導波体を側面から眺めた模式図であり、同図(b)は導波体をその先端側から眺めた模式図である。
図8は、本具体例におけるマイクロ波の励起モードを表す模式図である。
図3乃至図6に関して前述した第1の具体例においては、導波管、導波体、プラズマの全てが対称である場合には、図4(a)に表した垂直分極のTE11モードのみが導波体100に励起される。しかし、例えばプラズマの分布が非対称となった場合など、マイクロ波の分極方向が導波体100の中で回転して、図4(b)に表した水平分極のTE11モードが励起されることもあり得る。また、同様に、導波体100の中でマイクロ波の分極方向が変化して図5に表したTM01モードが励起されることもあり得る。
B=0.492λ
a=0.205λ
b=0.41λ
C=0.656λ
D=(5〜10)ミリメータ
L=0.41λ
導波体100のサイズを上記の範囲内とすると、導波体100において許容されるマイクロ波の励起モードを、垂直分極のTE11モードのみに制限でき、高い効率でプラズマを励起できる。
すなわち、本発明者は、第1の実施例(図3参照)と第2の実施例(図7参照)のマイクロ波導入器を用いた場合と、特許文献2に記載されている誘電体窓を用いた場合と、のそれぞれについて、マイクロ波プラズマを生成し、マイクロ波導入器のパワー反射率を測定した。それぞれの導波体の構造パラメータは以下の如くである。
A=29mm
B=60mm
C=80mm
D=10mm
L=100mm
実施例2(図7参照):
A=38mm
B=60mm
a=35mm
b=50mm
C=80mm
D=10mm
L=50mm
比較例(特許文献2):
直径80mm、厚み10mm、チャンバ内部への突出量がゼロの石英板
いずれの場合も、ガスは酸素(O2)、圧力は120パスカル、マイクロ波パワーは150〜500ワット、周波数は2.45ギガヘルツ、導波管はJIS規格のWRJ−2を用いた。得られた結果は、以下の如くである。
最大パワー吸収率 最初パワー吸収率 パワー吸収率の変化率
実施例1: 96% 89% 1.08
実施例2: 96% 58% 1.66
比較例 : 10% 2% 5.0
図9は、本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の要部基本構成を説明するための概念図である。
また、図10は、チャンバ300の上方から眺めた時のマイクロ波導入器の配置を例示する模式平面図である。
105 貫通する部分
108 切り落とし部
110 導波体根
200 導波管
300 チャンバ
320 Oリング
330 ステージ
M マイクロ波
P プラズマ
R 活性種や分解種
Claims (9)
- プラズマを生成する空間を有するチャンバに取り付けられるマイクロ波導入器であって、
前記チャンバの壁面から前記プラズマを生成する空間に向けて突出する誘電体の導波体を備え、
前記導波体は、先端に向けて直径が小さくなる略円錐台状であることを特徴とするマイクロ波導入器。 - 前記導波体の先端における直径をA、前記チャンバ内壁における前記導波体の直径をB、マイクロ波の自由空間での波長をλとしたときに、
A<0.3λ
B<0.499λ
なる条件が満たされることを特徴とする請求項1記載のマイクロ波導入器。 - 前記A、B及びλは、
A=(0.13〜0.41)×λ
B=0.492λ
なる条件を満たすことを特徴とする請求項2記載のマイクロ波導入器。 - プラズマを生成する空間を有するチャンバに取り付けられるマイクロ波導入器であって、
前記チャンバの壁面から前記プラズマを生成する空間に向けて突出する誘電体の導波体を備え、
前記導波体は、先端に向けて直径が小さくなる略円錐台の対向する側面をそれぞれ切り落とした形状であることを特徴とするマイクロ波導入器。 - 前記導波体の先端における直径をA、前記チャンバ内壁における前記導波体の直径をB、前記導波体の先端における前記切り落とした部分の間隔をa、前記チャンバ内壁における前記切り落とした部分の間隔をb、マイクロ波の自由空間での波長をλとしたときに、
A=0.31λ
B=0.492λ
a=0.205λ
b=0.41λ
なる条件を満たすことを特徴とする請求項4記載のマイクロ波導入器。 - チャンバと、
前記チャンバに取り付けられた請求項1〜5のいずれか1つに記載のマイクロ波導入器と、
を備え、
前記導波体を介して導入されるマイクロ波により前記プラズマを生成する空間においてプラズマを生成可能としたことを特徴とするプラズマ発生装置。 - 前記チャンバの外側に設けられ、前記導波体にマイクロ波を供給する導波管をさらに備えたことを特徴とする請求項6記載のプラズマ発生装置。
- 前記導波管の中心軸と、前記導波体の中心軸と、が略同軸とされたことを特徴とする請求項7記載のプラズマ発生装置。
- 請求項6〜8のいずれか1つに記載のプラズマ発生装置を備え、
前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
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