JP2008276946A - Microwave plasma generating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマを安定的に真空チャンバー内で発生する装置に関する。特に、真空成膜プロセスに用いるマイクロ波プラズマの発生に関する。 The present invention relates to an apparatus for stably generating plasma in a vacuum chamber. In particular, it relates to the generation of microwave plasma used in vacuum film formation processes.
蒸着やＣＶＤ（化学的気相堆積法）による真空薄膜形成で、膜の硬度を向上させることや密着性を向上させるためにプラズマアシスト、プラズマ処理、もしくはプラズマＣＶＤプロセスなどが有効とされている。プラズマは、放電や熱、光などを電離エネルギーとしてイオンや電子を生成および維持することで得られる。 Plasma assist, plasma treatment, plasma CVD process, or the like is effective for improving the hardness and adhesion of a vacuum thin film by vapor deposition or CVD (Chemical Vapor Deposition). Plasma is obtained by generating and maintaining ions and electrons using ionization energy as discharge, heat, light, and the like.
放電によるプラズマ生成は、電界でイオンや電子を加速、衝突、電離させて行うため、減圧下においても容易であり、利便性の高い方法として知られている。電界の発生には、直流（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ， ＤＣ）方式、交流（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ， ＡＣ）方式、高周波（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ＲＦ）方式、マイクロ波（Ｍｉｃｒｏ Ｗａｖｅ， ＭＷ）方式などが代表例として挙げられる。 Plasma generation by discharge is performed by accelerating, colliding, and ionizing ions and electrons with an electric field, so that it is easy even under reduced pressure and is known as a highly convenient method. Typical examples of the electric field generation include a direct current (DC) system, an alternating current (AC) system, a radio frequency (RF) system, and a microwave (Micro Wave, MW) system.
これらの方式では、電界の中でプラズマを維持することから、陽極と陰極の間においてプラズマが発生できるが、マイクロ波方式では電極を必要としない無極放電が可能である。具体的には、導波管または空洞共振器内の強い電界を使うことで、プラズマ密度の高い放電が得られる。 In these systems, since plasma is maintained in an electric field, plasma can be generated between the anode and the cathode, but in the microwave system, non-polar discharge that does not require an electrode is possible. Specifically, a discharge having a high plasma density can be obtained by using a strong electric field in a waveguide or a cavity resonator.
特許文献１には、マイクロ波プラズマは真空蒸着法において蒸発された原子または分子がマイクロ波でイオン化され、あるいは励起され、そのため合成樹脂フィルムに向上した特性を有するコーティング層を形成すると記載されている。しかし、マイクロ波をプラズマ化するためには、真空容器の内側のサイズに対して、ほとんど同じ幅のホーンアンテナが必要であることと、ホーンアンテナに無数の孔を形成しておき、その孔と空間の数を調整し整合範囲を狭めているため、大きな圧力変動に対して効率よくマイクロ波がプラズマにエネルギーが伝達しないという問題点があった。 In Patent Document 1, it is described that the atom or molecule evaporated in the vacuum deposition method is ionized or excited by the microwave plasma, thereby forming a coating layer having improved characteristics on the synthetic resin film. . However, in order to make microwaves into plasma, a horn antenna with almost the same width as the inner size of the vacuum vessel is necessary, and innumerable holes are formed in the horn antenna. Since the matching range is narrowed by adjusting the number of spaces, there is a problem that energy is not efficiently transmitted to the plasma by a large pressure fluctuation.
また、特許文献２に代表されるようにＥＣＲプラズマは、マイクロ波の２．４５ＧＨｚと磁場による共鳴作用によって低圧力での高密度プラズマが比較的簡単に得られることは良く知られているが、磁石が必要であるのと、電子ビームの軌道に対して干渉してしまう問題点があった。 In addition, as represented by Patent Document 2, it is well known that ECR plasma is relatively easy to obtain high-density plasma at low pressure by the resonance effect of microwave 2.45 GHz and magnetic field. There was a problem that a magnet was necessary and the electron beam trajectory would interfere.
電磁波の波長に比べて十分広い空間では、電界強度の分布が一定とならずに放電プラズマが発生しないという問題がある。特にマイクロ波のような波長の短い電磁波を用いた場合、プラズマが発生せず、電磁波漏洩防止シールドとして設置されている金属メッシュなどが加熱されて、電磁波のエネルギーが消費されてしまうことがある。また、プラズマが発生している場合でも、プロセスに必要な部分ではなく例えば配管の裏側や覗き窓近傍など目的の場所以外で発生することがあり、熱に弱い場所を破損する問題があった。 In a sufficiently wide space compared to the wavelength of the electromagnetic wave, there is a problem that the electric field intensity distribution is not constant and discharge plasma is not generated. In particular, when an electromagnetic wave with a short wavelength such as a microwave is used, plasma is not generated, and a metal mesh or the like installed as an electromagnetic wave leakage prevention shield may be heated to consume electromagnetic wave energy. Further, even when plasma is generated, it may occur not in a part necessary for the process but in a place other than the target place such as the back side of the pipe or in the vicinity of the observation window, and there is a problem of damaging a place vulnerable to heat.
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、プラズマを目的の領域で効率よく発生させることが可能なプラズマ発生装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a plasma generator capable of efficiently generating plasma in a target region.
請求項１の発明は、真空容器内にプラズマを発生するマイクロ波プラズマ発生装置であって、
マイクロ波を発生するマイクロ波発振器と、
不要なマイクロ波反射電力から発振器を保護するためのアイソレータと、
マイクロ波を伝搬させる導波管と、
マイクロ波のインピーダンスを調整する整合器と、
真空容器内に導入された前記導波管の先端に設置され、少なくとも一つ以上のスロットアンテナを有するスロット導波管と、
前記スロット導波管のスロットアンテナ面上に設置される平板状の誘電体と、
前記スロット導波管のスロットアンテナ面と直交した面に設置され、かつマイクロ波の放射方向に突き出している平板状のアース電極面と、
真空容器内にガスを導入する金属製のガスパイプとを備え、
前記ガスパイプは、前記スロットアンテナのスロット溝と同じ個数の分岐した先端を有し、かつ、その先端が前記アース電極面から垂直に突起して各スロット溝の正面に配置され、該ガスパイプより吹き出たガスによって、プラズマを発生することを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置である。
The invention of claim 1 is a microwave plasma generator for generating plasma in a vacuum vessel,
A microwave oscillator that generates microwaves;
An isolator to protect the oscillator from unwanted microwave reflected power;
A waveguide for propagating microwaves;
A matching unit for adjusting the impedance of the microwave;
A slot waveguide installed at the tip of the waveguide introduced into the vacuum vessel and having at least one slot antenna;
A planar dielectric disposed on the slot antenna surface of the slot waveguide;
A planar earth electrode surface that is installed on a surface orthogonal to the slot antenna surface of the slot waveguide and protrudes in the microwave radiation direction;
A metal gas pipe for introducing gas into the vacuum vessel,
The gas pipe has the same number of branched tips as the slot grooves of the slot antenna, and the tips protrude perpendicularly from the ground electrode surface and are disposed in front of the slot grooves, and blown out from the gas pipe. A microwave plasma generator characterized in that plasma is generated by gas.
請求項２の発明は、λｇを前記スロット導波管内でのマイクロ波の伝搬波長、ｎを正の整数としたとき、前記スロットアンテナの各スロット溝を中心間隔ｎ・λｇにて配置し、前記スロット導波管の管内における定在波の山が、各スロット溝の中央部に位置するように調整するための可動式反射板を前記スロット導波管の両端部に備えたことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波プラズマ発生装置である。 In the invention of claim 2, when λg is the propagation wavelength of the microwave in the slot waveguide and n is a positive integer, the slot grooves of the slot antenna are arranged at a center interval n · λg, A movable reflector is provided at both ends of the slot waveguide to adjust the standing wave peak in the slot waveguide to be located at the center of each slot groove. The microwave plasma generator according to claim 1.
請求項３の発明は、マイクロ波の空間伝搬波長をλとしたとき、前記ガスパイプの先端がスロットアンテナ部よりλ／２だけ離れたところに位置し、かつ前記アース電極面から垂直に突起している長さがλ／４であり、かつ該アース電極面とガスパイプが電気的に導通していることを特徴とする、請求項１乃至２に記載のマイクロ波プラズマ発生装置である。 According to a third aspect of the present invention, when the spatial propagation wavelength of the microwave is λ, the tip of the gas pipe is located at a distance of λ / 2 from the slot antenna portion and protrudes perpendicularly from the ground electrode surface. The microwave plasma generator according to claim 1, wherein the length is λ / 4, and the ground electrode surface and the gas pipe are electrically connected to each other.
請求項４の発明は、前記アース電極面は、少なくとも前記スロット導波管と同等以上の長さを持ち、かつ、マイクロ波の放射方向への突き出し部分の幅がλ以上の長方形であることを特徴とする、請求項１乃至３に記載のプラズマ発生装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, the ground electrode surface is at least as long as the slot waveguide and has a rectangular shape in which the width of the protruding portion in the microwave radiation direction is λ or more. The plasma generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the plasma generator is characterized.
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ発生装置により真空容器内で発生させたプラズマによりプラズマアシスト蒸着を行うことを特徴とする、真空薄膜形成装置である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a vacuum thin film forming apparatus characterized in that plasma assisted deposition is performed by plasma generated in a vacuum vessel by the microwave plasma generator according to any one of the first to fourth aspects. .
請求項６の発明は、アルミニウムの真空蒸着による成膜中に、真空容器内に酸素ガスを導入してプラズマを発生させてプラズマアシスト蒸着を行うことを特徴とする、請求項５記載の真空薄膜形成装置である。 The invention according to claim 6 is characterized in that plasma assisted deposition is performed by introducing oxygen gas into a vacuum vessel and generating plasma during film formation by vacuum deposition of aluminum. Forming device.
本発明により、真空チャンバー内部が広い空間となってもガスパイプがアンテナとなり、ガス噴出口のみにプラズマを集中させることができる。さらにガスパイプによるガス噴出口が多数配置されているので、幅広のプラズマ領域を得ることができる。よって、蒸着やＣＶＤ等の成膜プロセスに本装置を用いればプラズマを効率良く利用することができる。また、ＥＣＲプラズマのようにマイクロ波とプラズマの共鳴磁場、すなわち周波数２．４５ＧＨｚの場合、８７５×１０−４［Ｔ］（＝８７５［Ｇａｕｓｓ］）の強磁場を作らなくとも圧力が低い領域でも安定してプラズマを生成することができる。 According to the present invention, even if the inside of the vacuum chamber becomes a wide space, the gas pipe serves as an antenna, and the plasma can be concentrated only at the gas ejection port. Furthermore, since a large number of gas outlets by gas pipes are arranged, a wide plasma region can be obtained. Therefore, if this apparatus is used for a film formation process such as vapor deposition or CVD, plasma can be used efficiently. In addition, in the case of a resonant magnetic field of microwave and plasma, that is, a frequency of 2.45 GHz like ECR plasma, even if a strong magnetic field of 875 × 10 −4 [T] (= 875 [Gauss]) is not generated, even in a low pressure region Plasma can be generated stably.
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
図１は、本発明におけるマイクロ波プラズマ発生装置を備えた真空容器を模式的に表した側面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
FIG. 1 is a side view schematically showing a vacuum vessel provided with a microwave plasma generator according to the present invention.
先ず、マイクロ波を発生する発振器１、不要なマイクロ波反射電力から発振器を保護するためのアイソレータ２、マイクロ波を伝播させる導波管３、真空容器内にマイクロ波を放射するためのスロットアンテナ６を多数配置したスロット導波管５、そしてスロット導波管側のマイクロ波のインピーダンスと、マイクロ波発振器側のインピーダンスとを整合させるために必要な整合器４を具備している。スロットアンテナ６前面には真空容器９と導波管内およびスロット導波管内を分離させる誘電体８が備わり、スロット導波管５の上面よりマイクロ波の放射方向にアース電極面１０が広がり、各スロットアンテナ６の正面にはプラズマ化したガスを噴出すためのガスパイプ１１がアース電極面１０より突き出した構成となっている。 First, an oscillator 1 that generates microwaves, an isolator 2 that protects the oscillators from unnecessary reflected microwave power, a waveguide 3 that propagates microwaves, and a slot antenna 6 that radiates microwaves into a vacuum vessel And a matching device 4 necessary for matching the impedance of the microwave on the slot waveguide side and the impedance on the microwave oscillator side. The front surface of the slot antenna 6 is provided with a vacuum vessel 9, a dielectric 8 for separating the inside of the waveguide and the inside of the slot waveguide, and a ground electrode surface 10 extends from the upper surface of the slot waveguide 5 in the microwave radiation direction. A gas pipe 11 for ejecting plasmad gas is projected from the ground electrode surface 10 to the front of the antenna 6.
ここで、各部について簡単に説明する。先ず、マイクロ波発振器１は、マグネトロンを代表とする一般的なマイクロ波発振管が使用され、工業用高周波利用設備の割り当て周波数である２．４５ＧＨｚを利用するのが最も標準的な仕様である。最近では、マイクロ波発振管であるマグネトロンのかわりに、半導体を用いて電子回路的に発振させるものも開発されてはいるが、大電力化が難しく主力はマグネトロンである。 Here, each part will be briefly described. First, the microwave oscillator 1 uses a general microwave oscillation tube typified by a magnetron, and the most standard specification is to use 2.45 GHz which is an allocated frequency of industrial high-frequency equipment. Recently, a magnetron that oscillates electronically using a semiconductor has been developed instead of a magnetron, which is a microwave oscillation tube. However, it is difficult to increase the power, and the main force is a magnetron.
次にアイソレータ２であるが、負荷側つまりスロット導波管５側から不整合によって戻ってきたマイクロ波電力がマイクロ波発振器１に帰還して、発振器１に損傷を与えるのを防止させるために用いる。アイソレータ２の中身は一般的に３ポートのサーキュレータ構成であり、発振器１からの電力は、ポート１からポート２へ出力され、その先には負荷がある。負荷の不整合による反射電力はポート２からポート３に出力され、ポート３には終端器が接続されているので、反射電力はすべて熱に変換され、ポート３からの反射電力は無く、従ってポート３からポート１に戻ってくる電力は零である。よって、発振器１にはどんな場合でも負荷からの反射電力が戻ってくることはない。 Next, the isolator 2 is used to prevent the microwave power returned from the load side, that is, the slot waveguide 5 side due to mismatching from returning to the microwave oscillator 1 and damaging the oscillator 1. . The contents of the isolator 2 generally has a three-port circulator configuration, and the power from the oscillator 1 is output from the port 1 to the port 2, and there is a load beyond that. The reflected power due to load mismatch is output from port 2 to port 3, and since a terminator is connected to port 3, all the reflected power is converted to heat and there is no reflected power from port 3, so the port The power returning from 3 to port 1 is zero. Therefore, the reflected power from the load never returns to the oscillator 1 in any case.
次にマイクロ波を伝搬させる導波管３であるが、発振周波数や電磁界の進行方向による各種モードにて形状が決まるが、一般的にはＴＥ波の基本モードの利用を考慮し、２．４５ＧＨｚでは、ＥＩＡＪ形名ＷＲＪ−２（内径寸法１０９．２２×５４．６１ｍｍ）が多く使われている。 Next, the waveguide 3 for propagating the microwave is determined by various modes depending on the oscillation frequency and the traveling direction of the electromagnetic field, but generally considering the use of the fundamental mode of the TE wave. At 45 GHz, the EIAJ model name WRJ-2 (inner diameter dimension: 109.22 × 54.61 mm) is often used.
次に、マイクロ波のインピーダンスを調整する整合器４は、Ｅ−Ｈチューナー、スタブチューナー、４Ｅチューナーなどが挙げられるがどれを用いても構わない。 Next, as the matching device 4 for adjusting the impedance of the microwave, an E-H tuner, a stub tuner, a 4E tuner, or the like may be used, but any of them may be used.
真空容器９内にマイクロ波を放射するためのスロット導波管５について、図２および図３、図４を用いて説明する。図２はスロット導波管５のスロットアンテナ部６について示した斜視図であり、図３はスロット導波管５、スロットアンテナ部６、誘電体８、アース電極１０、ガスパイプ１１、可動式反射板７を示した正面図である。図４は図３を横方向から眺めた側面図である。 The slot waveguide 5 for radiating microwaves into the vacuum vessel 9 will be described with reference to FIGS. 2, 3, and 4. 2 is a perspective view showing the slot antenna portion 6 of the slot waveguide 5. FIG. 3 is a perspective view showing the slot waveguide 5, the slot antenna portion 6, the dielectric 8, the ground electrode 10, the gas pipe 11, and the movable reflector. 7 is a front view showing 7. FIG. FIG. 4 is a side view of FIG. 3 viewed from the side.
図２において、マイクロ波発振器１で発生したマイクロ波は、導波管３を介してスロット導波管５の中央部分に入力され、スロット導波管５の左右に同位相で均等な強度で分配される。マイクロ波は導波管３およびスロット導波管５の内部空間を伝播するので、導波管３およびスロット導波管５の内部は空間的につながっており、その接合部分には特に仕切りは設けられていない。 In FIG. 2, the microwave generated by the microwave oscillator 1 is input to the central portion of the slot waveguide 5 through the waveguide 3, and is distributed to the left and right of the slot waveguide 5 with the same phase and equal intensity. Is done. Since the microwave propagates in the internal space of the waveguide 3 and the slot waveguide 5, the interior of the waveguide 3 and the slot waveguide 5 is spatially connected, and a partition is particularly provided at the junction. It is not done.
この分配時の分配損失を最小限にするために、スロット導波管５のサイズは、発振器から伝搬される導波管３と同じサイズのものを使用することが多い。しかし、スロット導波管の小型化等の目的でサイズを変更する場合、導波管とスロット導波管の接合部に整合部分を設けて損失を極力抑える方法もあり、この場合も本発明の範囲とする。 In order to minimize the distribution loss during distribution, the slot waveguide 5 is often the same size as the waveguide 3 propagated from the oscillator. However, when the size is changed for the purpose of downsizing the slot waveguide or the like, there is also a method of suppressing the loss as much as possible by providing a matching portion at the junction between the waveguide and the slot waveguide. Range.
次に、スロットアンテナ６はスロット導波管の短辺面（Ｅ面）に存在し、スロット導波管内のマイクロ波の進行方向に沿ってスロット溝が開口している。スロット導波管内を伝搬するマイクロ波の波長をλｇ、ｎを正整数とすると、各スロット溝の中心間隔がｎ・λｇで配列されているときに最も効率よくマイクロ波を放射することができる。また、各スロット溝の開口長がλｇ／２程度のとき、最も効率よくマイクロ波を放射することができる。 Next, the slot antenna 6 exists on the short side surface (E surface) of the slot waveguide, and the slot groove is opened along the traveling direction of the microwave in the slot waveguide. When the wavelength of the microwave propagating in the slot waveguide is λg and n is a positive integer, the microwave can be radiated most efficiently when the center intervals of the slot grooves are arranged at n · λg. Further, when the opening length of each slot groove is about λg / 2, microwaves can be radiated most efficiently.
また、スロット導波管の終端部には可動式反射板７がある。各スロット溝から外部に放射されなかったマイクロ波は、この可動式反射板７に当たって中央部に向かって進行し反対側の可動式反射板７に当たってということを繰り返して、スロット導波管５内で定在波として存在するようになる。その定在波の波高が最大になる部分がスロット溝の中央部にくるように、可動式反射板７は位置調整される。このようにすることによって、各スロット溝からは、ほぼ同位相・同強度のマイクロ波が放射されることになる。尚、実際にはスロット溝の開口幅でマイクロ波の放射量が変化するので、各スロット溝からの放射が均一になるようにその開口幅は調節されている。 There is a movable reflector 7 at the end of the slot waveguide. The microwaves that have not been radiated to the outside from each slot groove strike the movable reflector 7, travel toward the center, and repeatedly strike the opposite movable reflector 7. It comes to exist as a standing wave. The position of the movable reflector 7 is adjusted so that the portion where the wave height of the standing wave is maximum comes to the center of the slot groove. By doing so, microwaves having substantially the same phase and intensity are radiated from the slot grooves. In practice, since the amount of microwave radiation varies depending on the opening width of the slot groove, the opening width is adjusted so that the radiation from each slot groove is uniform.
また、本実施形態ではスロットアンテナ部の各スロット溝は、直線形状でマイクロ波の進行方向と平行になるように配置しているが、各スロット溝を直線形状から多少変形させたり多少斜めにした配置したりしてもよく、各スロット溝から同位相かつ均等な強度でマイクロ波が放射されるのであれば、本発明の範囲とする。 Further, in this embodiment, each slot groove of the slot antenna portion is arranged in a straight line so as to be parallel to the traveling direction of the microwave, but each slot groove is slightly deformed from the straight line shape or slightly inclined. If the microwaves are radiated from each slot groove with the same phase and equal intensity, it is within the scope of the present invention.
次に図３および図４における誘電体８は、スロットアンテナ面の前面に、スロット導波管５内部と真空容器９内部との間に気密を保てる状態（Ｏ−リングを介した圧着や接着剤による接着など）にて設置される。これは、プラズマを発生させやすい圧力は、０．１［Ｐａ］〜１０［Ｐａ］程度であるので、真空容器９内部の圧力をその範囲とし、導波管３内またはスロット導波管５内部の圧力はそれより約２桁高くするか低くして圧力差をつけておけば、導波管３内またはスロット導波管５内ではなく真空容器９内部でプラズマを発生させることができるからである。 Next, the dielectric 8 in FIG. 3 and FIG. 4 is in a state where airtightness can be maintained between the inside of the slot waveguide 5 and the inside of the vacuum vessel 9 on the front surface of the slot antenna surface (pressure bonding or adhesive via an O-ring Etc.). This is because the pressure at which plasma is easily generated is about 0.1 [Pa] to 10 [Pa], so that the pressure inside the vacuum vessel 9 is within that range, and the inside of the waveguide 3 or the slot waveguide 5 is inside. If the pressure is increased or decreased by about two orders of magnitude to create a pressure difference, plasma can be generated not in the waveguide 3 or the slot waveguide 5 but in the vacuum vessel 9. is there.
もし、スロット導波管５内部も０．１〜１０［Ｐａ］の圧力範囲であるならば、スロット導波管５内でもプラズマが発生して余分なエネルギーを消費するばかりか、希望する場所にプラズマが発生しないと考えられ、不都合である。誘電体はマイクロ波の誘電損失が低くかつ圧力差があっても変形しないものが好ましく、単結晶の誘電体材料は誘電損失が低くなるためより好ましい。 If the inside of the slot waveguide 5 is also within a pressure range of 0.1 to 10 [Pa], plasma is also generated in the slot waveguide 5 and consumes excess energy. It is considered that plasma is not generated, which is inconvenient. It is preferable that the dielectric has a low dielectric loss of microwaves and does not deform even when there is a pressure difference, and a single crystal dielectric material is more preferable because the dielectric loss is low.
次に、アース電極１０とガスパイプ１１の組み合わせについて説明する。ガスパイプ１１は、マイクロ波によって生ずる電界エネルギーを効率良く受けるアンテナとして重要な役割を果たす。このアース電極１０とガスパイプ１１により、ガスを導入したときにガスパイプ１１がマイクロ波の電界エネルギーを受け、ガス排出口よりプラズマを発生させることができる。 Next, the combination of the ground electrode 10 and the gas pipe 11 will be described. The gas pipe 11 plays an important role as an antenna that efficiently receives electric field energy generated by microwaves. The earth electrode 10 and the gas pipe 11 allow the gas pipe 11 to receive microwave electric field energy when gas is introduced, and to generate plasma from the gas outlet.
空間上でのマイクロ波の波長λとすると、スロットアンテナ６からガスパイプ１１までの距離をλ／２、アース電極１０からのガスパイプ１１先端までの長さをλ／４にしたときに、ガスパイプ１１先端部でのインピーダンスが最大になり、電界強度が最大となるため、プラズマが発生しやすいので好ましい。 Assuming that the wavelength λ of the microwave in the space is λ / 2, the distance from the slot antenna 6 to the gas pipe 11 and the length from the ground electrode 10 to the gas pipe 11 tip are λ / 4, the tip of the gas pipe 11 Since the impedance at the portion is maximized and the electric field intensity is maximized, plasma is easily generated, which is preferable.
この状態を実現するために、アース電極１０はスロット導波管５の長辺面（Ｈ面）に確実に接続され、高周波的な接地面として存在し、さらにガスパイプ１１とアース電極１０の接続点においても確実に導通状態であり、ガスパイプ１１の基準電位ゼロ点として存在することが、ガスパイプ１１先端部で最大電界を得る上で重要なことである。 In order to realize this state, the ground electrode 10 is securely connected to the long side surface (H surface) of the slot waveguide 5 and exists as a high-frequency ground surface. Further, the connection point between the gas pipe 11 and the ground electrode 10 In order to obtain the maximum electric field at the tip of the gas pipe 11, it is important that the gas pipe 11 is in a conductive state and exists as a reference potential zero point of the gas pipe 11.
図３に示したように、ガスパイプ１１はスロットアンテナ６のスロット溝と同じ数だけ分岐し、その各先端が各スロット溝の中央正面に対向するように配置する。また、スロットアンテナ６からガスパイプ１１の各先端までの距離を、空間上でのマイクロ波の波長λの１／２とすれば、スロットアンテナ６の放射インピーダンスに影響を与えることがない。 As shown in FIG. 3, the gas pipe 11 is branched by the same number as the slot groove of the slot antenna 6, and each tip thereof is disposed so as to face the center front of each slot groove. Further, if the distance from the slot antenna 6 to each tip of the gas pipe 11 is ½ of the microwave wavelength λ in the space, the radiation impedance of the slot antenna 6 is not affected.
また、アース電極１０のサイズは、大きいほどプラズマ発生部分とアース電極面１０の反対側の影響を分離することができるが、真空容器内の配置上の問題もあるので、少なくともスロット導波管５の長さと同等以上であり、マイクロ波の空間伝搬波長λの長さ以上の幅を持った長方形であることが望ましい。 Further, the larger the size of the ground electrode 10 is, the more the influence of the plasma generating portion and the opposite side of the ground electrode surface 10 can be separated. However, since there is a problem in arrangement in the vacuum vessel, at least the slot waveguide 5 It is desirable that the rectangular shape has a width equal to or greater than the length of the microwave and having a width equal to or greater than the length of the microwave spatial propagation wavelength λ.
図３に示したように、アース電極面１０におけるプラズマ発生部側と反対面でのガスパイプ１１はトーナメント状に分岐しており、これはガスパイプ１１の各先端の排出口での流量流速を同じにするためである。また、ガスパイプ１１の各排出口はマイクロ波の進行方向と同じ向きにしており、ターゲット部へ確実にプラズマが到達するよう配慮したものである。 As shown in FIG. 3, the gas pipe 11 on the surface opposite to the plasma generating portion side of the ground electrode surface 10 is branched in a tournament shape, which makes the flow rate flow velocity at the discharge port at each end of the gas pipe 11 the same. It is to do. In addition, each outlet of the gas pipe 11 is oriented in the same direction as the traveling direction of the microwave, and consideration is given to ensure that the plasma reaches the target portion.
本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置を用いて、真空蒸着による成膜中の真空容器内でプラズマを発生させ、プラズマアシスト蒸着法を行うことができる。基材の材質としては、金属、ガラス、プラスチックなどを選択することができ、基材の厚さはフィルム、シート、パネルなど特に制限はない。 Using the microwave plasma generator according to the present invention, plasma can be generated in a vacuum vessel during film formation by vacuum vapor deposition, and a plasma-assisted vapor deposition method can be performed. As the material of the base material, metal, glass, plastic or the like can be selected, and the thickness of the base material is not particularly limited, such as a film, a sheet, or a panel.
蒸着では、１０−３〜１０−２［Ｐａ］の圧力範囲で行うことが多いが、ガスパイプをアンテナとして用いたプラズマ発生装置はこの圧力範囲でもプラズマを発生することが可能である。よって、蒸着材料がプラズマにより活性化され基材への着力向上や膜の緻密化が実現できる。また、酸素やアンモニアなどの反応性ガスをプラズマ化して金属蒸気から酸化物や窒化物の膜を作成することができる。具体的な例を挙げれば、金属Ａｌから電子ビーム加熱法によってＡｌ蒸気を発生させ、同時に酸素プラズマを発生させることで、アシストによって高品質なＡｌＯｘ膜を作成することができる。ここで言う高品質は、ガスバリア性の高いということである。 Vapor deposition is often performed in a pressure range of 10 −3 to 10 −2 [Pa], but a plasma generator using a gas pipe as an antenna can generate plasma even in this pressure range. Therefore, the vapor deposition material is activated by the plasma, and the adhesion to the base material can be improved and the film can be densified. In addition, a reactive gas such as oxygen or ammonia can be converted into plasma to form an oxide or nitride film from metal vapor. As a specific example, an Al vapor is generated from metal Al by an electron beam heating method, and oxygen plasma is generated at the same time, whereby a high-quality AlOx film can be created with assistance. The high quality mentioned here means that the gas barrier property is high.
以上で説明したプラズマ発生装置は、巻取り蒸着装置のアシスト源としても利用することができる。巻取りをおこなうためフレキシブルな基材が用いられ、ロール・トゥ・ロールによって大量生産に適するため、好ましい。その場合、公知の数あるフレキシブル基材として特に制限はない。基材の透明性を重視する場合でも、高分子透明プラスチック基材は、特に限定されるものではなく公知のものを使用することができる。例えばポリオレフィン系（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、ポリエステル系（ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等）、ポリアミド系（ナイロン−６、ナイロン−６６等）、ポリスチレン、エチレンビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエーテルスルホン、アクリル、セルロース系（トリアセチルセルロース、ジアセチルセルロース等）などが挙げられるが特に限定されない。また、基材フィルム厚みは限定するものではないが、用途に応じて、６μｍから２００μｍ程度が使用しやすい。 The plasma generator described above can also be used as an assist source for a winding vapor deposition apparatus. Since a flexible base material is used for winding, and it is suitable for mass production by roll-to-roll, it is preferable. In that case, there are no particular limitations on the number of known flexible substrates. Even when importance is attached to the transparency of the base material, the polymer transparent plastic base material is not particularly limited, and known materials can be used. For example, polyolefin (polyethylene, polypropylene, etc.), polyester (polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, etc.), polyamide (nylon-6, nylon-66, etc.), polystyrene, ethylene vinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyimide, polyvinyl alcohol, Polycarbonate, polyethersulfone, acrylic, cellulose-based (triacetyl cellulose, diacetyl cellulose, etc.) and the like are exemplified, but not particularly limited. Moreover, although the base film thickness is not limited, about 6 to 200 μm is easy to use depending on the application.
マイクロ波は２．４５ＧＨｚの周波数を用い、導波管はＥＩＡＪ形名ＷＲＪ−２（内径寸法１０９．２２×５４．６１ｍｍ）、整合器は４Ｅチューナーを使用した。スロット導波管は、図２においてスロットアンテナ部を４素子としたもので、スロット導波管内のマイクロ波伝搬波長λｇが１４７．８７ｍｍであるので、スロット溝の開口長は約７４ｍｍとし、スロット溝幅は約５ｍｍとした。また、各スロット溝の中心間隔は約１４８ｍｍとして配置した。 The microwave used the frequency of 2.45 GHz, the waveguide used EIAJ model name WRJ-2 (inner diameter size 109.22 * 54.61 mm), and the matching device used 4E tuner. The slot waveguide has four slot antenna portions in FIG. 2, and the microwave propagation wavelength λg in the slot waveguide is 147.87 mm. Therefore, the slot groove has an opening length of about 74 mm. The width was about 5 mm. Further, the center interval of each slot groove was set to about 148 mm.
誘電体は石英ガラスを使用して、導波管内およびスロット導波管内の圧力を真空容器よりも低くするためにターボポンプによって導波管内の圧力を１０−４［Ｐａ］付近とした。図４のように、アース電極の大きさは、長さはスロット導波管の長さとほぼ同じくらいの６５０ｍｍで、スロット導波管のＥ面より飛び出している部分の幅は約２００ｍｍで、厚さ１．５ｍｍの銅板をスロット導波管のＨ面と接するように取り付けた。 Quartz glass was used as the dielectric, and the pressure in the waveguide was set to around 10 −4 [Pa] by a turbo pump in order to lower the pressure in the waveguide and slot waveguide than that in the vacuum vessel. As shown in FIG. 4, the size of the ground electrode is 650 mm, which is about the same as the length of the slot waveguide, and the width of the portion protruding from the E surface of the slot waveguide is about 200 mm, A copper plate having a thickness of 1.5 mm was attached so as to be in contact with the H surface of the slot waveguide.
ガスパイプはＳＵＳ３１６製の３／８インチのパイプを用いて先端部分はＬ字となるように９０度曲げ加工をした。２．４５ＧＨｚのマイクロ波の空間上での波長λは１２２ｍｍであるので、スロットアンテナ部から６１ｍｍ離して銅板に穴を開け、アース電極とガスパイプ先端部の長さが３１ｍｍとなるようにガスパイプを固定した。ガスパイプからＡｒガスを真空容器内に導入し流量を変化させ、圧力を１．８×１０−２［Ｐａ］、５．６×１０−２［Ｐａ］、１．２×１０−１［Ｐａ］としマイクロ波の電力を１．０［ｋＷ］としてプラズマが発生するか調べた。 As the gas pipe, a 3/8 inch pipe made of SUS316 was used, and the gas pipe was bent 90 degrees so that the tip portion was L-shaped. Since the wavelength λ in the microwave space of 2.45 GHz is 122 mm, a hole is made in the copper plate 61 mm away from the slot antenna portion, and the gas pipe is fixed so that the length of the ground electrode and the gas pipe tip is 31 mm. did. Ar gas is introduced into the vacuum vessel from the gas pipe, the flow rate is changed, and the pressure is changed to 1.8 × 10 −2 [Pa], 5.6 × 10 −2 [Pa], 1.2 × 10 −1 [Pa]. Then, it was examined whether plasma was generated with a microwave power of 1.0 [kW].
この結果、上記の圧力の変化に対しても、プラズマが安定して維持することが確認できた。これは、スロットアンテナ部において、圧力変化によるマイクロ波の放射インピーダンスの変化が少ないため、常に安定してエネルギー放射ができるので、プラズマが維持できると考えられる。 As a result, it was confirmed that the plasma was stably maintained against the change in pressure. This is thought to be because plasma can be maintained since the slot antenna portion has little change in the radiation impedance of the microwave due to pressure change, and can always stably emit energy.
スロット導波管によるスロットアンテナ部およびアース電極および適切な長さのアンテナ兼ガスパイプを使うことで、マイクロ波の波長に比べて広い空間において圧力変化があっても、十分に安定したマイクロ波プラズマを発生させることができるため、比較的低い圧力でのプラズマプロセスに応用できる。特にアシスト蒸着では、低圧で行うことで蒸発レートが高いまま反応性アシスト蒸着が可能となるので、生産性が高く高品質な蒸着膜を提供することができる。 By using a slot antenna section with a slot waveguide, a ground electrode, and an antenna / gas pipe of an appropriate length, a sufficiently stable microwave plasma can be generated even when there is a pressure change in a wide space compared to the wavelength of the microwave. Since it can be generated, it can be applied to a plasma process at a relatively low pressure. In particular, in assist vapor deposition, reactive assist vapor deposition can be performed with a high evaporation rate by performing it at a low pressure, so that a high-quality vapor deposition film with high productivity can be provided.
１ ・・ マイクロ波発振器
２ ・・ アイソレータ
３ ・・ 導波管
４ ・・ 整合器
５ ・・ スロット導波管
６ ・・ スロットアンテナ
７ ・・ 可動式反射板
８ ・・ 誘電体
９ ・・ 真空容器
１０ ・・ アース電極
１１ ・・ ガスパイプ
1 .. Microwave oscillator 2 .. Isolator 3 .. Waveguide 4 .. Matching device 5 .. Slot waveguide 6 .. Slot antenna 7 .. Movable reflector 8 .. Dielectric 9. 10 .. Earth electrode 11 .. Gas pipe
Claims (6)
マイクロ波を発生するマイクロ波発振器と、
不要なマイクロ波反射電力から発振器を保護するためのアイソレータと、
マイクロ波を伝搬させる導波管と、
マイクロ波のインピーダンスを調整する整合器と、
真空容器内に導入された前記導波管の先端に設置され、少なくとも一つ以上のスロットアンテナを有するスロット導波管と、
前記スロット導波管のスロットアンテナ面上に設置される平板状の誘電体と、
前記スロット導波管のスロットアンテナ面と直交した面に設置され、かつマイクロ波の放射方向に突き出している平板状のアース電極面と、
真空容器内にガスを導入する金属製のガスパイプとを備え、
前記ガスパイプは、前記スロットアンテナのスロット溝と同じ個数の分岐した先端を有し、かつ、その先端が前記アース電極面から垂直に突起して各スロット溝の正面に配置され、該ガスパイプより吹き出たガスによって、プラズマを発生することを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。 A microwave plasma generator for generating plasma in a vacuum vessel,
A microwave oscillator that generates microwaves;
An isolator to protect the oscillator from unwanted microwave reflected power;
A waveguide for propagating microwaves;
A matching unit for adjusting the impedance of the microwave;
A slot waveguide installed at the tip of the waveguide introduced into the vacuum vessel and having at least one slot antenna;
A planar dielectric disposed on the slot antenna surface of the slot waveguide;
A flat ground electrode surface installed on a plane orthogonal to the slot antenna surface of the slot waveguide and protruding in the microwave radiation direction;
A metal gas pipe for introducing gas into the vacuum vessel,
The gas pipe has the same number of branched tips as the slot grooves of the slot antenna, and the tips protrude perpendicularly from the ground electrode surface and are disposed in front of the slot grooves, and blown out from the gas pipe. A microwave plasma generator characterized in that plasma is generated by gas.
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