JP2007035604A

JP2007035604A - マイクロ波プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP2007035604A
Application number: JP2005221622A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Nagatsu; 雅章永津
Original assignee: Shizuoka University NUC; Nissin Co Ltd
Current assignee: Shizuoka University NUC; Nissin Co Ltd
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】大面積化および均一化を図るとともに、マイクロ波パワー増加に伴う密度ジャンプを抑制し、プラズマ放電の熱的安定性を図る。
【解決手段】マイクロ波プラズマ発生装置を励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、プラズマガス源と、前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、前記容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管と、前記同軸導波管の外導体３３に固着された第１導体２１、同軸導波管中心導体３２に接続されるとともに第１導体２１に装着された石英板２３、石英板２３に固着され、マイクロ波を前記真空容器内に放出する第２導体２２とからなる共振空洞を形成する平行平板ランチャー２０と、により構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、プラズマガス源と、プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、平板状共振器構造を有するマイクロ波ランチャーとを具えたマイクロ波プラズマ発生装置に係り、高密度プラズマを大面積かつ均一に発生しようとするものである。このようなマイクロ波プラズマ発生装置は、半導体プロセス分野、液晶パネルなどジャイアントプロセス分野さらには製紙製造における表面処理工程への応用、繊維業界における表面機能処理への応用など応用分野がきわめて広い。

従来、大面積プラズマプロセスでは専ら平行平板構造の高周波（RF、13.56MHｚ）を用いたプラズマ装置が用いられているが、プラズマの密度が低いことや、電子温度が高いため解離を過剰に促進するなど、プロセシング用プラズマとしては改善すべき点が多い。このため大面積プラズマ発生のための試みは行われているが、今も開発途上の状態である。例えば、マイクロ波を用いたプラズマ発生装置の開発においては、一般的に大面積化に伴い真空用シールに必要な石英板のサイズも大きくなり、１mサイズの真空容器の場合には石英板に10トンもの力が真空下で作用することとなり、このためそのような力を保持するためには板厚が５cm以上の石英板が必要となる。
またマイクロ波励起プラズマでは、マイクロ波パワーの増加とともに密度が不連続にジャンプする密度ジャンプが起こる問題が指摘されている。
特開２００４−２００１１３ A. Ogino et al, Jpn. J. Appl. Phys. Vol44 (2005) L352

この様な状況の中で、真空窓の板厚を低減し、マイクロ波パワー増加に伴う密度ジャンプの抑制するとともに、大面積化および均一化をはかり、プラズマ放電の熱的安定性をはかるとともに大面積表面波および大容積体積波プラズマを発生しようとするものである。

本発明においては、特に誘電体板、石英板の取り付け方法を改良し、螺子を用いてランチャー金属枠に直接固定しようとするものである。これまでのプラズマによる熱的問題を解決するためは、石英板中心部を貫通して螺子で固定する方式、即ち石英板の中心部に孔を設け、同軸導波管の内部導体と石英板表面に取り付ける金属板と挟み込んで固定する方法が、提案されていた。このような方式に代えて、同軸導波管中心導体の端面を石英板の面に当接させる。さらに石英板の周辺部に空隙を設け、マイクロ波の漏れを促進する構造としている。

本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置において、
励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
プラズマガス源と、
前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、
前記容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管と、
前記同軸導波管の外導体に固着された第１導体、前記同軸導波管中心導体に接続されるとともに前記第１導体に装着された誘電体板、前記誘電体板に固着され、マイクロ波を前記真空容器内に放出する第２導体とからなる共振空洞を形成する平行平板ランチャーと、
を具えたことを特徴とする。
本発明は、上記のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記誘電体板を石英板としたことを特徴とする。

本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置において、本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置において、励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
プラズマガス源と、
前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、
前記容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管と、
前記同軸導波管の外導体に固着された第１導体、前記同軸導波管中心導体の下端面に当接されるとともに前記第１導体に螺子により固定された誘電体板、前記誘電体板に螺子により固定されるとともにマイクロ波を前記真空容器内に放出する第２導体とからなる共振空洞を形成する平行平板ランチャーと、
を具えたことを特徴とする。
本発明は、上記のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記誘電体板を石英板としたことを特徴とする。

本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置において、励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
プラズマガス源と、
前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、
前記真空容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管と、
前記同軸導波管の外導体に固着され、周縁部に円筒部を具えた第１導体、前記同軸導波管中心導体の下端面に当接されるとともに前記第１導体に螺子により固定され、前記第１導体の円筒部との間に空隙を形成する誘電体板、前記誘電体板に螺子により固定されるとともにマイクロ波を前記真空容器内に放出する第２導体とからなる共振空洞を形成する平行平板ランチャーと、
を具えたことを特徴とする。
本発明は、上記のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記誘電体板を石英板としたことを特徴とする。
本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置において、矩形導波管からマイクロ波を同軸変換し、円筒真空容器内部に挿入した当該マイクロ波ランチャーにマイクロ波を供給し、高密度プラズマを大面積かつ均一に生成することを特徴とする。

本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置において、平行平板ランチャーを石英板表面中心部に直径20cmの第２導体の金属板を螺子で固定し、石英板周縁部には第１導体の円筒部との間に５mmの空隙を設けた構成としたことを特徴とする。
本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置において、平行平板ランチャーの下部に一様な表面波励起マイクロ波プラズマを生成することを特徴とする。
本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置において、平行平板ランチャー下部全域に広がる体積波励起マイクロ波プラズマを生成することを特徴とする。
本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置において、前記マイクロ波源をパルス放電マイクロ波とすることを特徴とする。

本発明は、上記のような構成を採用したことにより、所定の入射パワーの範囲内で、均一な分布が得られた。また入射パワーの増加とともにほぼ単調に増加しており、密度ジャンプは見られなかった。

以下、図面を参照して、本発明に係るマイクロ波プラズマ発生装置の実施の形態について説明する。
図１は、従来のマイクロ波プラズマ発生装置の主要部の断面図である。
図２は、本発明に係るマイクロ波プラズマ発生装置の主要部の断面図である。
図３は、本発明に係るマイクロ波プラズマ発生装置のランチャー部の拡大断面図及び拡大下面図である。

図１において、励起マイクロ波を発生するマイクロ波源が駆動されて、同軸導波管３を通じて励起用のマイクロ波がプラズマ発生用の真空容器１に導入される。また図示しないプラズマガス源からプラズマガスが供給される。平行平板状ランチャー２は、同軸導波管３の外導体４に装着された第１の導体２、石英板６及び第２導体７を具えている。同軸導波管中心導体５は、石英板６の孔８を貫通している。
第１の導体２、第２導体７の間に配置された石英板６は、共振空洞を形成する平行平板状ランチャー２を構成している。

図２は、本発明に係るマイクロ波プラズマ発生装置の概略の断面図である。図３は、本発明に係るマイクロ波プラズマ発生装置のランチャー部の拡大断面図及び下面図である。
図２において、励起マイクロ波を発生するマイクロ波源が駆動されて、同軸導波管３１を通じて励起用のマイクロ波がプラズマ発生用の真空容器１に導入される。また図示しないプラズマガス源からプラズマガスが供給される。平行平板状ランチャー２０は、同軸導波管３１の外導体３１に装着された第１の導体２１、石英板２３及び第２導体２２を具えている。同軸導波管中心導体３２は、石英板２３の上面に当接している。

図３は、本発明に係るマイクロ波プラズマ発生装置のランチャー部の拡大断面図及び拡大下面図である。
図３において、励起マイクロ波を発生するマイクロ波源が駆動されて、同軸導波管を通じて励起用のマイクロ波がプラズマ発生用の真空容器１に導入される。また図示しないプラズマガス源からプラズマガスが供給される。平行平板状ランチャー２０は、同軸導波管の外導体３３に装着された第１の導体２１、石英板２３及び第２導体２２を具えている。同軸導波管中心導体３２は、石英板２３の上面に当接している石英板２３は、螺子５１により第１導電板２１に固定される。
第２導体２２は、螺子５２により石英板２３とともに第１導電板２１に固定される。

プラズマ装置は、直径600mm、高さ350mmの円筒形ステンレス製で、2.45GHzマイクロ波発振器を用い矩形導波管から同軸変換してマイクロ波を真空容器１内に取り付けられたマイクロ波ランチャー２０部分に伝送する。

マイクロ波ランチャー２０には直径420mm、厚さ15mmの石英板２３を用い、第２導体２２として、直径200mmの金属板を石英板２３に取り付ける。
そして直径200mmから550mmまで、該金属板の大きさを変えて、プラズマ生成特性の比較を行った。

なお金属板に代えて、開口孔を具えたパンチングプレートにすることもできる。

また本発明においては、第１導電板２１の周縁部に円筒部２４を設けて、石英板２３の周縁部との間に空隙２５を設けている。これによりマイクロ波の漏れを促進している。

また最大1.5 kWのマイクロ波発振器を用い、真空容器１は、ロータリーポンプを用いてmTorrオーダーまで排気を行った。真空容器１下部には高さを自由に変えることが可能な基板ステージ２９が取り付けられており、マイクロ波ランチャーと基板ステージ２９の最大間隔は約18cmまで調整できる。放電ガスとしてはAr、Heを用いる。また側面に取り付けられたポートからプローブを挿入してイオン飽和電流の空間分布測定を行った。なお、分布は軸対称であると仮定し、マイクロ波ランチャー中心から容器壁付近まで測定を行った。

上記のAr、Heに代えてO₂ 或いはAr，He，O₂の混合ガスを用いることができる。

図４(a)は、Arガスによる表面波プラズマ、(b)は、Heガスによる体積波プラズマの放電の様子を示している。

図４(a)では、ガス流量105sccmで入射電力1.0kWの場合の放電状態を示しているが、マイクロ波ランチャー全体にプラズマが広がっている様子が分かる。なお中心部で暗くなっているのはランチャー下部に金属板が取り付けてあるためである。

一方、図４(b)の放電条件は、ガス流量70sccm、入射電力210Wであり、ランチャー下部全体に輝度の低いプラズマの生成を確認した。マイクロ波パワーが約400W以下では図４(b)のような体積波プラズマが生成され、それ以上に入射パワーを増加させると表面波プラズマに遷移することが確認できた。

図５は、Arプラズマにおけるラングミュアプローブによるイオン飽和電流の半径方向分布の測定結果を示している。放電条件は、Arガス流量190sccm、圧力200mTorrである。図から分かるように、入射パワー0.5−1.0kWの範囲で半径約15cmにわたり均一な分布が得られた。

図６は、プローブ位置をr＝０cm、10cmおよび15cmとしたとき入射パワーを変化させた時のイオン飽和電流の変化を示している。図から解るように、入射パワーの増加とともにほぼ単調に増加しており、密度ジャンプは見られなかった。

従来のマイクロ波プラズマ発生装置の主要部の断面図である。本発明に係るマイクロ波プラズマ発生装置の主要部の断面図である。本発明に係るマイクロ波プラズマ発生装置のランチャー部の拡大断面図及び拡大下面図である。本発明によるプラズマ放電の状態を示す。本発明によるイオン飽和電流の半径方向分布を示す。本発明によるイオン飽和電流の入射電力依存性を示す。

符号の説明

１真空容器
２平行平板状ンチャー
３同軸導波管
４外導体
５同軸導波管中心導体
６石英板
７第２導体
８孔
２０平行平板状ランチャー
２１第１導体
２２第２導体
２３石英板
２４円筒部
２５空隙
３１同軸導波管
３２同軸導波管中心導体
５１螺子
５２螺子

Claims

励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
プラズマガス源と、
前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、
前記容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管と、
前記同軸導波管の外導体に固着された第１導体、前記同軸導波管中心導体に接続されるとともに前記第１導体に装着された誘電体板、前記誘電体板に固着され、マイクロ波を前記真空容器内に放出する第２導体とからなる共振空洞を形成する平行平板ランチャーと、
を具えたことを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
前記誘電体板を石英板としたことを特徴とする請求項１に記載されたマイクロ波プラズマ発生装置。
励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
プラズマガス源と、
前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、
前記容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管と、
前記同軸導波管の外導体に固着された第１導体、前記同軸導波管中心導体の下端面に当接されるとともに前記第１導体に螺子により固定された誘電体板、前記誘電体板に螺子により固定されるとともにマイクロ波を前記真空容器内に放出する第２導体とからなる共振空洞を形成する平行平板ランチャーと、
を具えたことを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
前記誘電体板を石英板としたことを特徴とする前記請求項３に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
プラズマガス源と、
前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、
前記真空容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管と、
前記同軸導波管の外導体に固着され、周縁部に円筒部を具えた第１導体、前記同軸導波管中心導体の下端面に当接されるとともに前記第１導体に螺子により固定され、前記第１導体の円筒部との間に空隙を形成する誘電体板、前記誘電体板に螺子により固定されるとともにマイクロ波を前記真空容器内に放出する第２導体とからなる共振空洞を形成する平行平板ランチャーと、
を具えたことを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
前記誘電体板を石英板としたことを特徴とする前記請求項５に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
矩形導波管からマイクロ波を同軸変換し、円筒真空容器内部に挿入した当該マイクロ波ランチャーにマイクロ波を供給し、高密度プラズマを大面積かつ均一に生成することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
平行平板ランチャーを石英板表面中心部に直径20cmの第２導体の金属板を螺子で固定し、石英板周縁部には第１導体の円筒部との間に５mmの空隙を設けた構成としたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
平行平板ランチャーの下部に一様な表面波励起マイクロ波プラズマを生成することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
平行平板ランチャー下部全域に広がる体積波励起マイクロ波プラズマを生成することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
前記マイクロ波源をパルス放電マイクロ波とすることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。