JP2015534214A - 電子サイクロトロン共鳴（ｅｃｒ）による気体媒体からの軸方向に高域であるプラズマを生成させるための装置 - Google Patents

Abstract

デバイスは、少なくとも二つの同軸導波管（４）を備えており、各々は中心導体（１）及び処理チャンバにマイクロ波を供給するための外部導体（２）を備えており、前記少なくとも二つの電磁波注入ガイド（４）は、一つの方向に拡張された磁気回路（２１−２２）と結合しており、前記磁気回路は導波管（４）を取り囲み、前記導波管の近くでＥＣＲ状態を生み出すことができる磁場を作り出す。

Description

本発明は、気体媒体からの電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によるプラズマ生成の技術分野に関連しており、より具体的には、真空表面処理の分野に関連している。

当業者に完全に知られているように、波周波数と同等の磁力線の周りで、電子のサイクロトロン動作の周波数に対して十分強い電磁波及び静磁場が印加されるとき、電子サイクロトロン共鳴が起こる。このように、電子は波エネルギーを吸収し、それからプラズマを形成するためにそれを気体に伝送することができる。電子サイクロトロン共鳴によって生成されたプラズマは、金属かまたは金属でない部品の表面処理、例えば、イオンエッチングによる部品の洗浄、ＰＶＤ法へのイオン支援、ＰＡＣＶＤ被覆を形成するためのガス種の活性化などに使用されてもよい。そのようなプラズマ処理法が、とりわけ、機械学、光学、腐食保護、またはエネルギー生産のための表面処理に使用され得る。

従来技術によると、多くのプラズマ処理は、軸に沿った大きな拡張を含むプラズマを有するソースを必要とする。拡張プラズマを作り出す方法は、小寸法のいくつかのソースを並置することである。これは例えば、いくつかの二極性ＥＣＲソースを並置すること、そのようにして複数の両極構造を作り出すことによりプラズマが作り出される特許文献１において説明されている。この文献において説明された構成は、図１に図示されている。マイクロ波周波数での電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）は、出力分布が非常に容易に果たされ得るので、そのような複数のソースによく適応している技術である。しかしながら、ソースのそのような簡素な並置と共に、非常に良好な堆積均一性を得ることは難しい。さらに、そのようなソースの二極性構造は、プラズマを処理される基板の方へ向けることができず、このように、壁に向かって大幅なプラズマの損失を生成する。そのような損失は、堆積速度に対する制限となる出力損失に対応している。

他のＥＣＲソースは、プラズマを処理される基板にいっそう向かわせることにより、損失を減少させる磁場構成を有している。これは例えば、特許文献２（図２）において説明されたソースに対する場合である。この特許文献において特定されているように、隣り合って配置されたこれらのソースのいくつかは、単一ソースの大きさを超える幅にわたって処理を可能にしている。しかしながら、そのような構成は、良好な処理均一性を提供せず、ソース間の磁気相互作用に起因して、ソースが接触するところでプラズマ密度における降下が必然的にある。

一つの方向に大幅な固有の拡張を有する他のＥＣＲプラズマソースが存在する。そのようなソースは、特許文献３、特許文献４、及び特許文献５において説明されている。これらのソースの共通点は、実際のプラズマが、同軸構造の外部導体または中空導波管の一部を形成していることである。特許文献４の従来技術に対応する図３は、そのようなソースの構造を典型的に示している。特許文献３のソースは、導波管の内側をプラズマから分離する誘電材料から作られた中空シリンダーを含む。この要素の欠点は、その表面上のいかなる導体堆積物がプラズマの形成を阻むことである。例えば、そのようなソースは、金属部品の除去に対して、除去に起因する金属蒸気が誘電体を汚染するので、使用することができない。特許文献４及び特許文献５のソースはそのような汚染物に潜在的に敏感でないにも関わらず、それらはどちらも処理される部品に向かうプラズマ流れを最適化していない。

欧州特許出願公開第１０７５１６８号明細書 国際公開第２００８／０１７３０４号 独国特許発明第４１３６２９７号明細書 独国特許発明第１９８１２５５８号明細書 国際公開第２００５／０２７５９５号

本発明は、シンプルで、信頼でき、効果的で、かつ合理的な方法でこれらの欠点を克服することに向けている。

本発明が解決を目指す問題は、良好な均一性を有する線形プラズマを提供することであって、これはプラズマを処理される基板に向け、これにより壁に向かう損失を減少させ、及びこれはその表面での如何なる導体堆積形成に鈍感に作られ得る。

そのような問題を解決するために、電子サイクロトロン共鳴ＥＣＲにより気体媒体からプラズマを生成させるためのデバイスであって、中心導体及び処理チャンバ内にマイクロ波を持っていくための外部導体から形成された少なくとも二つの同軸導波管を備えており、少なくとも二つの電磁波注入ガイドが一つの方向に長尺している磁気回路と結合されており、前記磁気回路は前記導波管に近接するＥＣＲ状態を達成することのできる磁場を生成することにより導波管を取り囲んでいることを特徴とするデバイス、が設計され発展されてきた。近接とは、磁力線に対して注入器のアンテナによって主に妨害されるＥＣＲ領域を交差することなく、ＥＣＲ領域ができる限りアンテナに近くあるべきであることを意味している。

これらの特徴から、ポイント形状の電磁波の注入は、注入器（４）を取り囲む磁気システム（２０）の磁場における電子ドリフト（図４において矢印（５０）で象徴されている）によって平坦化されるという事実があるように見受けられ、注入器（４）が同軸導波管（１）−（２）及びアンテナ（５−６または７）で形成されることを思い起こす。ドリフトは、磁力線（４０）に垂直な電子のゆっくりとした動きを規定する。そのような動きは、これらの線の勾配及び曲率に起因している。実際、二つの注入器の間の空間は、ドリフトにより、二つの注入器の共鳴領域から生じるホット・エレクトロンを受ける。これらがドリフトするとき、電子はイオンを生成することによりそれらのエネルギーを失う。イオン化速度は、注入器からの距離が増大するにつれて減少するが、二つの対向するドリフトは互いに増大し、それによって、ソースの強度はその長手側に沿った位置に従ってほとんど変化しない。

それに関する損失を制限するために電子に対して磁気トラップを形成することのもたらされる問題を解決するために、磁気回路は、対向する磁極の二つの極を、導波管の近くに有している。第１極は導波管を取り囲む第１ラインを形成し、第２極は前記第１ラインを取り囲む第２ラインを形成している。

波注入器は、アンテナに至る中心導体を有する同軸ガイドにより形成されることを本発明により思い出されるべきである。請求項に記載されたような、一つの方向に長尺した磁気回路は、例えば前に述べた特許文献２のソースの場合のように、ＥＣＲ領域が注入点を取り囲むことができないので、そのようなシステムが機能することができることは当業者にとって自明ではない。実際、第一に、注入器に近いＥＣＲの体積は小さく、第二に、アンテナの周囲は均一でないので、プラズマへのエネルギー変換はより難しくなる。波は回転対称を有するガイドからこの対称性を有していない媒体（プラズマ）へ入り、波はこれにより部分的に反射される。プラズマが点火するとき、システムは遷移を受けるので、この第二の点は特に問題である。プラズマが点火する前、媒体（真空）は均一であるが、その後ではもはやそのようではない。そのような遷移は、管理することが難しいインピーダンス変化を生み出す。注入器は、インピーダンスマッチング装置に一般的に装備されるが、そのような装置は、一般的に手作業であり、工程の間の修正のために提供されない。

これらの異なる理由のために、長尺磁気システムでの装置操作に特に適したアンテナの異なる形状を展開させる必要があった。

これを達成するために、第１の実施形態において、中心導体は、ＥＣＲ領域にできる限り近くに位置したガイドの内側を保護するように、導波管の開口より大きな直径の同心ディスクを有しており、これは中心導体と同軸に整列されて配置されたロッドが上に乗せられている。

第２の実施形態において、中心導体は、磁気回路の最長軸に沿って長尺したプレートによって終結され、前記プレートの端部の少なくとも一つは、短絡を形成するためにソースの表面に接触して位置されるように取り付けられており、プレートの幅は、導波管の開口よりも大きい。

プレートの幅は、その全体の長さに沿って一定であるか、またはプレート幅は中心導体からの距離が増大するにつれて、且つ前記導体の少なくとも一つの側に対して、減少している。

本発明の基礎をなす特徴に基づき、装置は、冷却回路を有する本体を含む処理チャンバの場合に適用でき、本体は、第１分極による磁石の第１ライン及び対向分極による、第１ラインを取り囲む磁石の第２ラインで形成された長尺磁気回路のアセンブリのためのハウジングを備えており、長尺磁気回路は、本体の厚さにわたって形成されたホール内に組み付けられた導波管を取り囲んでおり、磁石の第１及び第２ラインは、強磁性プレートによって、プラズマとは反対の側に接続されており、本体及び磁気システムは、磁気シールドによってプラズマから分離されている。

長尺磁気システムの動作に適用されるアンテナの異なる可能な形状を考察すると、
−各ガイドの中心導体は、良好な電気接触を有して本体に挿入された外部導体に対して中心な円筒ロッドであり、アンテナとして使用されるロッドが上に乗せられたディスクで覆われた開口の下のガイドの内側に誘電体ウインドウが位置されている、
または、
−各ガイドの中心導体は、良好な電気接触を形成することにより本体に挿入された外部導体に対して中心な円筒ロッドであり、注入器の軸に沿って長尺したプレートで覆われた開口の下のガイドの内側に誘電体ウインドウが位置しており、前記長尺は、磁気回路の曲線状端部に位置する導波管に対しては、中心導体に関して非対称であり、長尺は、対向する端部の方向にだけであり、磁気回路の直線部に位置する導波管に対しては、中心導体に関して対称であり、各長尺部は、短絡として使用されるフィッティングが提供されている。

本発明は、添付の図面により以下さらに詳細に説明される。

特許文献１で説明されている従来技術の簡略化した図である。 特許文献２で説明されている従来技術の簡略化した図である。 特許文献４で説明されている従来技術の簡略化した図である。 本発明の原理の簡略化した図である。 本発明による磁気構造の可能な実施形態を示している。 本発明による磁気構造の可能な実施形態を示している。 本発明によるアンテナの第１の形状を示している。 本発明によるアンテナの他の形状を示している。 本発明によるアンテナの他の形状を示している。 本発明によるアンテナの他の形状を示している。 マイクロ波注入口の位置での断面を有する、本発明の第１実施形態の斜視図である。 マイクロ波注入器の平面内での断面及びこの平面に垂直な二つの注入器の間の第２の断面を有する、本発明の第２実施形態の斜視図である。

本発明の基本原理、すなわち、いくつかのマイクロ波注入器を取り囲む長尺磁気回路が、図４及び図５に図式的に示されている。

磁気回路は、ソース表面の近くに、電子に対する磁気トラップを形成するために、反対極性の二つの極を有している。第１の極は電磁波の注入ガイド（４）を取り囲む第１ライン（２１）を形成し、第２極はこの第１ラインを取り囲む第２ライン（２２）を形成している。

図５は、磁気回路の二つの可能な形態を示している。第１の形態（図５Ａ）は、より簡単に形成できるという利点を有しているが、ＥＣＲ領域は、直線部において注入器に接戦方向である。第２の形態は（図５Ｂ）は、注入器に近いＥＣＲの体積を最適化しようとする試みである。

磁気構造の二つの極の相対力を設定することにより、処理される基板に向けてプラズマの流れに影響を与えることが可能である。例えば、回路の外部極（２２）を強めることによって、二つのプラズマストリップが、直線部分からソースの前の空間へ収束するように作られ、この位置において部品の処理速度を増大させることを可能にしている。これは、真空容器の壁が閉じている場合に、横方向損失を減少させるのに役立つ。しかしながら、回路の内部極（２１）が強められる場合、二つのプラズマストリップは、互いに離れて横方向に移る。特定の場合において、これは、円筒表面に接する二つの処理領域が作り出されることができる円筒形の処理表面などに対して有利となり得る。

波注入器は、アンテナに至る中心導体を有する同軸ガイドによって形成される。

本発明は、アンテナの形状を最適化するような二つの方法を提供している。

以下の数値例は、１７ｍｍの内部直径を有する外部導体及び８ｍｍの外部直径を有する内部導体を含む同軸導波管を備えているプラズマソースに対して与えられる。

図６に図示された第１の実施形態において、中心導体（１）は第１にディスク状（５）に広がる。そのようなディスクは、ガイドの内側を起こり得る堆積から保護し、且つ波をＥＣＲ領域にできるだけ近づけることを可能にしている、導波管（１）−（２）の開口より大きな直径を有している。その端部は実際に、ＥＣＲ領域から数ミリメートル離れて位置している。ディスクは、数ミリメートル、一般的には１から５ｍの間の範囲の厚さを有しており、ソース表面と数ミリメートル、有利的には２から５ｍｍのスロットを形成している。このディスクは、中心導体（１）を延ばすロッド（６）が乗せられている。このロッドは、λ／８からλ／２の間の範囲の長さを有しており、λはマイクロ波の波長である。正確な長さは、ディスク直径及びＥＣＲ領域の形状に依存している。アンテナは、このロッドの長さを調節することによって最適化される。例えば、２５ｍｍ直径を有するディスクを含む実施形態において、ロッドに対する最適な長さは、１２２．４ｍｍの波長（２．４５ ＧＨｚ）に対して、３０から３５ｍｍの間の範囲である。このように、その回転対称にもかかわらず、このアンテナは、マイクロ波フィールドのプラズマへの良好な結合を生み出す。ロッドの機能は、真空のインピーダンスをプラズマのインピーダンスに一致させることである。

第２の実施形態において、中心導体は、数ミリメートルの厚さを有しており、この時、回転対称を有していないが、磁気システムの最長軸に沿って長尺しているプレート（７）に至る（図７Ａ−７Ｂ）。幅に関して、このプレートは、導波管の開口を越えて延在しており、ＥＣＲ領域から数ミリメートル離れて至る。その総長さはλ／４からλの間の範囲である。この長さを調節することによって、プラズマに向かう結合を最適化することが可能である。その端部で、プレートは短絡を作り出すためにソースの表面に接触して配置され（８）、このように、隣接するプレートに向かってマイクロ波を放出することを避けている。そのような短絡は、波に電場内のノードをこの場所で作り出すように強要する。波は、反射して、注入点に戻ってくる。注入点とアースへの回帰との間の距離は、注入点に到達したとき反射した波の位相を設定する。この距離を修正することにより、この位相をプラズマによって反射した波の位相に調整することができる。「自然な（ｎａｔｕｒａｌ）」解法は、プレートの総長さが、定常波が二つの端部の間に形成される長さであるλ／２、すなわち、２．４５ＧＨｚの周波数に対して６１ｍｍであるように見える。実際の場合において、しかしながら、理論的な長さはプラズマ効果に対して最適ではなく、且つ長さは十分な結果を得るためにおおよそ１０％まで増大される必要があることが見出された。

プレート幅は、プレートの全体長さに沿って同じままであってもよく（図７Ａ）、または注入点からの距離が増すにつれて減少してもよい（図７Ｂ）。好ましい実施形態において、プレート幅は、その端部に向かって減少する。例えば、中間が２５ｍｍ幅であるプレートに対して、その端部で幅は１０ｍｍだけである。

磁気回路の曲り角（ｔｕｒｎ）の内側に位置した注入器に対して、この第２のアンテナ形状は、プレートが曲がり角から離れる方向にだけ長尺されるように修正される（図７Ｃ）。中心ガイドの中心から測定されたこの部分の長さは、λ／８からλ／２の間の範囲である。曲り角の側で、プレートは半ディスク形状を有している。１２．５ｍｍの半径を有する半ディスクを含む一つの実施形態において、１２２．４ｍｍ（２．４５ＧＨｚ）のλに対して、長尺部分は３４ｍｍを測定している。

一般的な性能を最適するために、同一のソース上にいくつかの種類のアンテナを結合することが可能である。例えば、ロッドの上に乗せた長尺プレートなどの、本発明により提供される二つの解法を結合することが可能である。

本発明によるデバイスを統合したプラズマソースの二つの実施形態を断面図で示している、図８及び９を参照する。

図８において、処理チャンバは、冷却回路（１１）内を循環する水により冷却される磁気金属本体（１０）を備えている。本体に提供されるハウジングは、磁気回路を受けている。この実施形態において、磁気システムは、第１分極（３１）の磁石の第１ライン（２１）、及び第１ラインを取り囲み、対向する分極（３２）を有する第２ライン（２２）で形成される。本体の内部で、二つの磁気ライン（２１）及び（２２）は強磁性プレート（２３）に接続されている。本体（１０）及び磁気システムはシールド（１２）によってプラズマから分離される。ソース本体に挿入されて、それと共に良好な電気接触にある外部導体（２）を有するいくつかの同軸ガイドによって、マイクロ波注入のための円筒孔が本体（１０）及びシート（１２）内に提供される。各ガイドの中心導体は、外部導体に対して中心に置かれ、且つシールドを越えて延在する円筒ロッド（１）の形態で出現する。誘電体ウインドウ（３）は、開口から数センチメートル離れてガイドの内側に位置している。このオフセット位置は、マイクロ波の通過を妨げ得る如何なる堆積、特に導体堆積による誘電体の低い付着を保証する。誘電体は、真空処理容器の内側と外側の間の気密さを生み出すことができる。この第１の実施形態において、導波管の開口は、堆積物が導波管内に浸透することを防ぎ、且つＥＣＲ領域にマイクロ波を持っていくことを可能にするディスクで被覆されている。ディスク（５）はプラズマとの結合を最適化することのできるロッド（６）が上に乗せられている。

このように、円板が２５ｍｍ直径及び３ｍｍ厚さを有する実装において、２．４５−ＧＨｚマイクロ波周波数及びアンテナ当たり９０−Ｗ出力に対して、ロッド長さは１６から３５ｍｍの間で調節される。各々の構成において、点火の容易さが観測された。各々の注入ラインに位置するインピーダンスマッチング装置の位置で修正を必要としない場合、点火は容易であるとみなされる。

以下の表からわかるように、プラズマから抽出され、ソースから８ｃｍ離れて位置する基板によって収集され、且つ２０−Ｖ電圧まで取られる電流の測定が実行された。

出力のプラズマへの最適な伝達を提供するためにインピーダンスマッチングが各構成において最適化されるという事実に起因して、電流変化が低いにも関わらず、この構成において３０から３５ｍｍの間にある光学長さを決定することができることは十分に意味がある。

図９で図示された実施形態において、処理チャンバの基本的な設計は同じである。相違はアンテナにある。この実施形態において、アンテナプレート（７ａ）及び（７ｂ）が注入軸に沿って長尺されている。長尺（７ａ）は、磁気回路の曲り角（ｔｕｒｎ）の中心で、プラズマソースの一つの端部に位置するアンテナのための中心導体（１）に対して非対称であり、長尺は反対の端部にだけ向かっている。長尺（７ｂ）は、磁気回路の直線部に位置するアンテナのための中心導体に対して対称である。各長尺部は、アンテナがその隣接部に向かう放射を避ける短絡（８）によって終端となる。本実施形態において、プレートの幅は、中心導体からの距離が増大し（１）且つ地帰路へ向かうにつれて減少する。

そのような構成は、地帰路と導波管の中心導体との間の距離が３１から３２ｍｍであり、それ故λ／４（３０．６ｍｍ）に近いアンテナで第一に試験された。これは、第１の実施形態に対しておおよそ３％まで電流の増加を提供している。この距離が３４ｍｍまで取られるとき、電流は追加の３％まで増大し、及びこのように第１の実施形態に対して約６％まで増大する。両方の場合において、プレートは３ｍｍ厚さを有している。

利点は開示内容から明らかとなる。

１ 中心導体
２ 外部導体
３ 誘電体ウインドウ
４ 注入器
５ 同心ディスク
６ ロッド
７ プレート
８ フィッティング
１０ 本体
１１ 冷却回路
１２ シールド
２０ 磁気システム
２１ 第１ライン
２２ 第２ライン
２３ 強磁性プレート
４０ 磁力線

Claims (11)

1. 各々が中心導体（１）及び処理チャンバ内へマイクロ波をもたらす外部導体（２）から形成された少なくとも二つの同軸導波管（４）を備えている、電子サイクロトロン共鳴ＥＣＲにより、気体媒体から軸に沿った著しい拡張のプラズマを生成するための装置であって、少なくとも二つの前記電磁波注入ガイド（４）が、一つの方向に長尺した磁気回路（２１−２２）に結合されており、前記磁気回路は、前記導波管の近くでＥＣＲ状態を達成することのできる磁場を作り出すことによって前記導波管（４）を取り囲んでいることを特徴とする、デバイス。
2. 前記磁気回路は、前記導波管の近くで、電子のための磁気トラップを形成するように、対向極性（３１−３２）の二つの極（２１−２２）を有していることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１極（２１）は前記導波管（４）を取り囲む第１ラインを形成し、第２極（２２）は前記第１ライン（２１）を取り囲む第２ラインを形成していることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
4. 各導波管の前記中心導体（１）は、前記ガイドの開口を保護し、アンテナの振る舞いをすることのできるフィッティングを備えていることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記中心導体（１）は、前記ガイドの内部を保護するように、前記導波管（４）の前記開口より大きな直径の同心ディスク（５）であって、前記ＥＣＲ領域にできる限り近くに位置し、前記中心導体（１）と同軸に配置されたロッド（６）が上に取り付けられた同心ディスク（５）を有している、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記中心導体は、前記磁気回路の最長軸に沿って長尺したプレート（７）によって終端とされ、前記プレートの端部の少なくとも一つは、短絡を作り出すためにソースの表面に接触して位置されるフィッティング（８）を備えており、前記プレート（７）の幅は、前記導波管（４）の前記開口より大きい、請求項４に記載のデバイス。
7. 前記プレート（７）の幅は、その全体長さに沿って一定であることを特徴とする、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記プレート（７）の幅は、前記中心導体（１）からの距離が増大するにつれ、且つ前記導体（１）の少なくとも一つの側に対して、減少することを特徴とする、請求項６に記載のデバイス。
9. 前記処理チャンバは、冷却回路（１１）を含む本体（１０）を備えており、前記本体（１０）は、第１分極による磁石の第１ライン（２１）、及び対向分極による、前記第１ライン（２１）を取り囲む磁石の第２ライン（２２）で形成され、前記本体（１０）の厚さにわたって形成されたホール内に組付けられた前記導波管（４）を取り囲む、長尺磁気回路のアセンブリのためのハウジングを備えており、磁石の前記第１及び第２ラインは強磁性プレート（２３）によって接続されており、前記本体及び前記磁気システムはシールド（１２）によってプラズマから分離されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記中心導体（１）は、良好な電気接触を有する、前記本体（１０）内に挿入された外部導体に対して中心に置かれた円筒状ロッドであり、誘電体ウインドウ（３）は、アンテナとして使用されるロッドが上に乗せられたディスクで被覆されている開口より下で、前記ガイド（４）の内部に位置していることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記中心導体は、良好な電気接触を形成することにより、前記本体（１０）内に挿入された前記外部導体に対して中心に置かれた円筒状ロッドであり、誘電体ウインドウ（３）は、注入器の軸に沿って長尺したプレート（７）で覆われている前記開口より下で、前記ガイド（４）の内部に位置しており、前記長尺は、前記磁気回路の曲線状端部に位置する導波管に対しては前記中心導体に関して非対称であり、前記長尺は、対向する端部の方向のみであり、前記磁気回路の直線部に位置する導波管に対しては中心導体に関して対称であり、各長尺部は短絡として使用される前記フィッティング（８）を備えていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。

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