JP2018530128A - プラズマを同軸照射装置により生成する基本装置及びそれを備える設備 - Google Patents

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Abstract

本発明はプラズマを生成するためのマイクロ波動力の基本装置(1)であって、基本装置(1)は同軸照射装置(2)を備え、同軸照射装置(2)は、導電性の中央コア(23)と、中央コアを囲む導電性外部シールド(24)と、中央コア(23)とシールド(24)との間に位置し、マイクロ波エネルギーを伝搬するための媒体(25)と、シールド上に配置され、マイクロ波発生装置と接続するための機構(3)と、を有し、シールドは、マイクロ波エネルギーを透過させる誘電体からなりかつチャンバー(4)内に局在する気体と接触するように設けられた外表面(27)を有する絶縁体(26)により基端が閉塞され、絶縁体は、シールドから外側に突出しており、外表面は非平面であり、シールドから外側に突出しており、誘電体の外径は、シールドから外表面の先端まで減少している。本発明はプラズマを発生するための装置の分野に適用され得る。

Description

本発明は、プラズマを生成するための基本装置及び設備に関する。
より詳細には、本発明は同軸マイクロ波出力照射装置を備えた、プラズマを生成するための基本装置に関する。
密閉されたチャンバー内でプラズマを生成する設備は、例えば、表面洗浄、殺菌、成膜(特にプラズマCVD並びにダイヤモンド成膜)、エッチング、及びイオンビームスパッタリング(又はカソードスパッタリング)のようなその他の表面処理のような種々の分野に応用される。
発生装置とチャンバーの内部との間でマイクロ波エネルギーを伝搬するためには、プラズマを生成するための、少なくとも一つの基本装置を用いる必要があり、通常そのような基本装置が複数個協働する「基本ソース」と呼ばれるものがある。
図1(a)及び図1(b)に示される従来の基本装置10は、マイクロ波エネルギーを、導波管又は同軸ケーブルからチャンバーへと伝搬させるマイクロ波出力同軸照射装置100(以下、同軸照射装置100ともいう)を備える。この同軸照射装置100は、主軸に沿って延在しかつ導電性を有する中央コア101と、中央コア101を囲む導電性アウターシールド102と、中央コア101とアウターシールド()との間に存在するマイクロ波エネルギーを伝搬するための媒体103(以下、伝搬媒体103ともいう)と、を備える。アウターシールド102は、好ましくは円筒形で、遠位端104が底壁によって閉鎖されている周壁を有する。同軸照射装置100は、更に、導波管又は同軸ケーブルとの接続機構105を備える。この接続機構105は、アウターシールド102の周壁に配置されており、底壁から任意の距離だけ離れている。アウターシールド102は、反対側の近位端106において、プラズマチャンバー(図示せず)内に開放されるように開口する。近位端106の開口は、マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなる絶縁体107により閉塞され、かつプラズマチャンバー内で活性化した状態で存在する気体と接触する外表面108を有する。
確かに、伝搬媒体103とプラズマチャンバーの内部とを接続するには、(例えば水晶、アルミナ、窒化ホウ素等からなる)絶縁誘電体107の使用が必要であり、これにより、一方ではマイクロ波をチャンバー側へ伝搬させることが確保され、他方では伝搬媒体103と、通常周囲の大気圧に対して圧力が低いチャンバー内部との間を封止することが確保される。
図1(a)及び図1(b)の二つの例において、同軸照射装置100の構成において、中央コア101(図1(a))が絶縁体107を完全に貫通・突出している場合、又は中央コア101(図1(b))が絶縁体107に挿入され端部が外表面108と面一になる場合にかかわらず、絶縁体107の外表面108は平面である。
絶縁体107の外表面108は平面である。出願人は、この平面状の表面において、絶縁体107のインピーダンスとプラズマのインピーダンスとが非常に突然に変化することを見いだした。このインピーダンスの変化は、必然的に反射電力を生じさせるので、同軸照射装置の上流に設けられたインピーダンスアダプタにより、補正する必要がある。
国際公開番号第2014/009412は、プラズマを生成するための基本装置を開示している。この基本装置は、マイクロ波出力同軸照射装置を備え、マイクロ波出力同軸照射装置は、主軸に沿って延在する導電性の中央コアと、中央コアを囲む導電性のアウターシールドと、中央コアとシールドとの間に存在するマイクロ波エネルギーを伝搬させるための媒体と、を有し、アウターシールドは、マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなる絶縁体により閉塞された基端を有し、この絶縁体は、チャンバー内で活性化した状態で存在する気体と接触するように設けられた外表面を有する誘電性の筒状に形成され、絶縁体は、主軸に沿ってシールドの外側に向けて突出する、ことを特徴とする。
しかし、この国際公開第2014/009412号においては、誘電性筒の外表面は円筒形状であり、その先端まで直径が一定である。この絶縁体は、シールドから(絶縁体自体の外径よりも大きい程)大きく突出する。これはこの誘電性筒は表面波照射器として機能するために設計・形成されているためであり、言い換えれば、マイクロ波(又はマイクロ波エネルギー)を誘電性筒とプラズマとの間で伝搬するためである。これにより誘電性筒は、少なくとも自体の外径の2倍よりも大きく、シールドから外側に突出する。
本発明の目的は、絶縁体自体の表面とプラズマとの間でマイクロ波エネルギーの伝搬を増加させるためではなく、反射電力を制限することによりマイクロ波エネルギーのプラズマに対する貫通性を高めるために、絶縁体の形状を最適化することにある。
本発明は、これらの欠点を克服するためになされたものであり、この目的のためにプラズマを生成するための基本装置を提案する。この基本装置は、マイクロ波出力の同軸照射装置を備え、同軸照射装置は、主軸APに沿って延出する導電性の中央コアと、中央コアを囲む導電性のアウターシールドと、中央コアとシールド(遮蔽材)との間に存在するマイクロ波エネルギーを伝搬するための媒体と、マイクロ波エネルギー発生装置と直結するために、アウターシールドに配置された接続機構と、を有し、アウターシールドは、マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなる絶縁体により閉塞された基端を有し、かつチャンバー内で活性化した状態で存在する気体と接触するように設けられた外表面を有する。その外表面は、主軸を中心に回転対称であり、絶縁体は、主軸に沿ってシールドから外側に突出している。本装置は、特に、上記外表面が非平面でありかつシールドから外側に突出しており、外表面の外径が、主軸に沿って、シールドの外表面の先端に向かって減少していることを特徴とする。
これにより、設置された絶縁体は、プラズマチャンバー内へと進入し、該絶縁体の非平面で非常にシャープな外表面の形状により、生成されたプラズマの容積が調整される。よって絶縁体のインピーダンスとプラズマのインピーダンスとの間の変化が急激にならず、反射電力が減少され得る。
更に、絶縁体はシールドから離間するにつれ狭くなる。言い換えれば、活性化されたガス内に進入するのにつれて狭くなる。これにより、絶縁体のインピーダンスとプラズマのインピーダンスとの間の遷移性が向上する。
可能性のある一態様として、外表面の外径は、主軸に沿って、シールドから外表面の先端まで連続して減少している。
これにより、外表面の直径は不連続に変化することがない。言い換えれば、段差、階段状、切欠がない。絶縁体の外表面はその先端まで連続しており、エネルギーの伝送を最適化する。
第1の実施形態において、絶縁体の外表面は、略円錐形状であることを特徴とする。
この第1の実施形態では、
−絶縁体の外表面は、略円錐形状の頂部において切り欠かれ、先端がフラットな面を有する場合(例えば、円錐台)または丸みを帯びた形状を有する場合、
−絶縁体の外表面は、略円錐形状の頂部において切り欠かれておらず、尖った先端形状を有する場合、
の2つの可能性が考えられる。
第2の実施形態において、絶縁体の外表面は、略半球形状であることを特徴とする。
一態様として、絶縁体の外表面は、直角をなす角部を有しない。
他の一態様として、中央コアは、絶縁体を完全に貫通しない状態で絶縁体内に埋め込まれた近位端を有する。
ある特定の実施形態において、中央コアの近位端は、主軸に沿ってシールドから突出していることを特徴とする。
ゆえに、中央コアはシールドよりも長い。
可能性のある一態様として、絶縁体とシールドとは、共通の主軸を中心に周回しており、絶縁体の最大外径は、実質的にシールドの外径以上である。
本発明の効果として、絶縁体は、伝搬媒体と接触し、中央コアが挿入された内表面を有し、その内表面は、非平面であり主軸に対して非直交である。
本発明の可能性のある一態様として、内表面は、同軸照射装置の末端から絶縁体により閉塞されている基端に向かって主軸に沿って広がる外径を有する。
本発明の可能性のある他の一態様として、絶縁体の内表面は、略円錐形状である。
効果的な実施形態として、絶縁体は、主軸に沿ってシールドから外側に突出しており、その突出量は、シールドの近位端においてシールドの内径以下である。
このように、絶縁体の突出量が、絶縁体自身の外径以下の距離に限定されていることにより、マイクロ波エネルギーの通過を最適化する。言い換えれば、マイクロ波エネルギーの伝送中の損失及び反射を減少させる。
本発明はプラズマを生成するための設備に関するものである。この設備は、
−プラズマを内部で生成して閉じ込めるものであり、隔壁により画定されたチャンバーと、
−少なくとも一つのマイクロ波エネルギー発生装置と、
−本発明に係る、少なくとも一つの基本装置と、を備え、少なくとも一つの基本装置の接続機構は、マイクロ波エネルギー発生装置と接続され、該少なくとも一つの基本装置の絶縁体の外表面は、隔壁を貫通してチャンバー内に延出することを特徴とする。
本発明の可能性のある一態様として、同軸照射装置のシールドは、一部がチャンバーに取付けられ、密閉された状態で隔壁を貫通するように構成される。
本発明の可能性のある他の一態様として、同軸照射装置のシールドの少なくとも一部が隔壁と一体形成される。
本発明のその他の特徴及び効果並びに非限定的な実施例は、以下の詳細な説明において添付の図面を参照して記載される。
図1(a),(b)は、上記従来の、プラズマを生成するための基本装置の軸方向断面概略図である。 図2は、本発明に係る第1の基本装置の、軸方向断面概略図である。 図3は、本発明に係る第2の基本装置の、軸方向断面概略図である。 図4は、本発明に係る第3の基本装置の、軸方向断面概略図である。 図5は、図2に示された、第1の基本装置の概略斜視図である。 図6は、図2及び図5に示された第1の基本装置が配置されたプラズマチャンバーの内部の概略図である。 図7は、図2及び図5に示された第1の基本装置が複数配置されたプラズマチャンバーの内部の概略図である。
図2〜5は、プラズマを発生させるための基本装置1の3つの実施形態を示し、第1の実施形態は図2及び図5に、第2の実施形態は図3に、及び第3の実施形態は図4に示されている。特に明示的又は非明示的に記載されていない限り、部材、部品、装置、又は構造的若しくは機能的に同一若しくは類似の要素は、同一の参照符号を付与される。
基本装置1は、マイクロ波エネルギー発生装置(図示せず、特に固体型発生器)とプラズマチャンバー4(図6及び図7を参照)の内部との間にマイクロ波エネルギーを伝搬させることを確保する、同軸マイクロ波出力照射装置2(以下、単に同軸照射装置2ともいう)を備える。
この同軸照射装置2は、主軸APに沿って細長く形成された細長形状であり、
−遠位端21と、
−その反対側に位置し、チャンバー4内に開放する近位端22(基端に相当)と、を備えている。
同軸照射装置2は、
−主軸APに沿って延伸する棒状(特に、断面形状が一定の棒状)の導電性の中央コア23と、
−中央コア23を囲み、中空のスリーブ状に形成され、主軸APを中心とした円筒形の内面を有する周壁と、同軸照射装置2の遠位端21を閉鎖する底壁と、を備える導電性アウターシールド24(以下、単にシールド24ともいう)と、
−中央コア23とアウターシールド24との間に位置するマイクロ波エネルギーを伝搬するために設けられた、例えば空気からなる、媒体25(以下、伝搬媒体25ともいう)と、
−マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなり、同軸照射装置2の近位端22に設けられる絶縁体26と、を備えている。
シールド24は、近位端22において開口しており、該開口は、伝搬媒体25とチャンバー4の内部との間を確実に封止する絶縁体26により閉塞されている。
同軸照射装置2は、更に、マイクロ波エネルギー発生装置と接続するための接続機構3を備えている。この接続機構3は、接続機構3に接続される同軸ケーブル又は導波管(図示せず)を発生器に確実に接続をするための任意の手段により構成されている。
図2〜図4の例において、接続機構3は、同軸ケーブルが接続できるように設計されており、この目的のために同軸構造を有している。従来このような同軸構造は、同軸照射装置2のシールド24(以下に記載)に接触し、同軸照射装置2の中央コア23(以下に記載)に接触する内部導体を囲む、外部導体を備えている。
この接続機構3は、シールド24の底壁又は周壁上に配置されてよい。
絶縁体26は、同軸照射装置2の近位端22を完全に閉塞し、これにより多くの場合低圧に維持されるチャンバー4の内部を、周囲の大気圧と同等である伝搬媒体25から分離する。
絶縁体26は、主軸APを中心とする回転状物の一部であり、外表面27を有する。外表面27は、チャンバー4の内部に、特にチャンバー4の内部で活性化した状態で存在する気体に、接触する。
更に、この絶縁体26は、主軸APに沿ってシールド24から距離DCだけ外側に突出する。該絶縁体26の外表面27は平面状ではなく、シールド24から距離DCだけ外側に突出している。
この距離DCは、近位端において、シールド24の内径以下の長さである。シールド24の近位端における内径とは、絶縁体26が接触するシールド24の内周面又は円筒内面の直径を意味する。したがって、距離DCは、シールド24の近位端における、絶縁体26の外径以下の長さである。
この外表面27は、直角ではない角度でシールド24から外側に曲げられていて、主軸APを中心として回転対称である。
一般に、この外表面27の直径は、主軸APに沿って、シールド24から該外表面27の先端まで連続して(即ち段差、切欠、階段状ではなく)減少している。
この外表面27は、例えば、フラットな先端形状(図2、3、及び5を参照)を有する略円錐形状であるか、又は、先端が尖った略円錐形状の端部(図4を参照)を有している。
なお、外表面27は、略直線(図2〜7に示されるように母線が直線である)もしくは、凹型又は凸型(円錐の母線が曲がっている)の円錐形状をしている。
図示されていない変形例として、外表面27は、先端が丸みを帯びている、又は、先端が半球形状の略円錐形状である。
一般に、外表面27の外径は、主軸APに沿って、シールド24から該外表面27の先端まで(外表面27の自由端まで)減少している。ゆえに、シールド24から離れるのにしたがって(そしてチャンバー4内部に進入することにより)、外表面27の外径は、例えば規則的に(円錐形状に)又は不規則的に減少する。
加えて、絶縁体26は、伝搬媒体25と接触する内表面28をさらに備える。内表面28は、シールド24に完全に囲まれかつ中央コア23が挿入されている。この内表面28は、伝搬媒体25に接触している横断面である。
この内表面28は、図3及び図4における実施形態に示されるように、平面でかつ主軸APに対して直交してもよい。
好ましくは、図2における実施形態に示されるように、この内表面28は非平面であってもよい。この内表面28は、外表面27と同じ理由で非平面である。即ち、絶縁体26を介して活性化した気体に対する、伝搬媒体25における波の通過を促進するためであり、急激なインピーダンス阻害及び不要な反射電力の生成を避けるためである。
一般に、内表面28は、主軸APに対して直交しておらず、外径が、遠位端21から絶縁体26により閉塞されている近位端22に向かって主軸APに沿って広がっている。
この内表面28は、例えば、略円錐形状である。より詳細には、略直線(図2に示されるように円錐の母線が直線状)もしくは、凹型又は凸型(円錐の母線が曲がっている)の円錐形状である。
図2〜4に示される実施形態によると、中央コア23は基端を有し、該基端はこの絶縁体26を完全に貫通しない状態で、絶縁体26内に埋め込まれている。
図2及び図3の実施例によると、中央コア23の近位端は、距離DCより短い距離DAだけ、主軸APに沿ってシールド24から突出している。
図4の実施例において、中央コア23の近位端は、シールド24の近位端と一直線上に位置するので、シールド24からは突出しない。
図2及び図4の実施例において、絶縁体26の最大外径は、実質的にシールド24の内径と同じ長さである。図3の実施例において、絶縁体26の最大外径は、シールド24の外径と同じ長さである。したがって、絶縁体26は、シールド24の内側に入り込ませるために、シールド24の内径と実質的に同等の径に減少させる段部を有する。
図示されない変形例として、中央コア23の基端は、シールド24の基端に対して(シールド24の内側に)後退している。
図示されない変形例として、絶縁体26の最大外径は、シールド24の外径よりも大きい。絶縁体26の最大外径がシールド24の外径以上の場合、絶縁体26がチャンバー4の隔壁40に部分的に接触していることがあり得る。
このような基本装置1は、プラズマを生成するための設備に使用される。基本装置1は、
−プラズマを内部で生成して閉じ込めるものであり、隔壁40により画定されたチャンバー4と、
−少なくとも一つのマイクロ波エネルギー発生装置(図示せず)であり、特に固体発生型の装置と、
−一方が発生器に、他方が基本装置1の接続機構3に接続される、少なくとも1本の同軸ケーブル又は導波管(図示せず)と、
−図6及び図7に示されるように、絶縁体26の外表面27が、隔壁40を通り抜けてチャンバー4内に延出する、少なくとも一つの基本装置1と、を備えている。
なお、同軸照射装置2のシールド24は、
−その一部がチャンバー4に取付けられ、密閉された状態で隔壁40を通り抜けるように構成され、又は
−少なくとも一部が隔壁40と一体形成される。即ちこのシールド24は、部分的に又は全体的に隔壁40自体によって形成される。

Claims (14)

  1. プラズマを生成するための基本装置(1)であって、マイクロ波出力の同軸照射装置(2)を備え、
    前記同軸照射装置(2)は、
    主軸APに沿って延出する導電性の中央コア(23)と、
    前記中央コア(23)を囲む導電性のアウターシールド(24)と、
    前記中央コア(23)と前記アウターシールド(24)との間に存在するマイクロ波エネルギーを伝搬するための媒体(25)と、
    マイクロ波エネルギー発生装置と接続するために、前記アウターシールド(24)に配置された接続機構(3)と、を有し、
    前記アウターシールド(24)は、チャンバー(4)内で活性化した状態で存在する気体と接触するように設けられた外表面(27)を有し、マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなる絶縁体(26)、により閉鎖された基端を有し、
    前記外表面(27)は、前記主軸(AP)を中心に回転対称であり、
    前記絶縁体(26)は、前記主軸(AP)に沿って前記アウターシールド(24)から外側に突出しており、
    前記基本装置(1)において、前記外表面(27)は、非平面であり、外径が前記主軸(AP)に沿って前記アウターシールド(24)から該外表面(27)の先端までで減少し、前記アウターシールド(24)から外側に突出している
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  2. 請求項1に記載の基本装置(1)において、
    前記外表面(27)の前記外径は、前記主軸(AP)に沿って、前記アウターシールド(24)から該外表面(27)の先端まで連続して減少している
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  3. 請求項2に記載の基本装置(1)において、
    前記絶縁体(26)の外表面(27)は、略円錐形状又は略半球形状である
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  4. 請求項3に記載の基本装置(1)において、
    前記絶縁体(26)の外表面(27)は、先端がフラット又は丸みを帯びた形状の略円錐形状を有し、もしくは、切り欠かれていない尖った先端部を有する略円錐形状を有している
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載の基本装置(1)において、
    前記絶縁体(26)の前記外表面(27)は、直角の角部を有しない
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  6. 請求項1〜5の何れか1項に記載の基本装置(1)において、
    前記中央コア(23)は、前記絶縁体(26)を完全に貫通しない状態で、該絶縁体(26)内に埋め込まれている基端を有している
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  7. 請求項6に記載の基本装置(1)において、
    前記中央コア(23)の基端は、前記主軸(AP)に沿って前記アウターシールド(24)から突出している
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  8. 請求項1〜7の何れか1項に記載の基本装置(1)において、
    前記絶縁体(26)及び前記アウターシールド(24)は、共通の前記主軸(AP)を中心に周回しており、前記絶縁体(26)の最大外径は、実質的に前記アウターシールド(24)の外径以上である
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  9. 請求項1〜8の何れか1項に記載の基本装置(1)において、
    前記絶縁体(26)は、前記媒体(25)と接触し、前記中央コア(23)が挿入された内表面(28)を有し、
    前記内表面(28)は、非平面でありかつ前記主軸(AP)に対して非直交である
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  10. 請求項9に記載の基本装置(1)において、
    前記内表面(28)は、前記同軸照射装置(2)の遠位端(21)から前記絶縁体(26)により閉塞されている近位端(22)に向かって、前記主軸(AP)に沿って広がる外径を有している
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  11. 請求項9又は10に記載の基本装置(1)において、
    前記絶縁体(26)の前記内表面(28)は、略円錐形状である
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  12. 請求項1〜11の何れか1項に記載の基本装置(1)において、
    前記絶縁体(26)は、前記アウターシールド(24)の基端において、前記主軸(AP)に沿って、該シールド(24)から外側に距離(DC)突出しており、該距離(DC)は、該シールド(24)の内径以下である
    ことを特徴とする基本装置(1)。
  13. プラズマを生成するための設備であって、
    前記プラズマを内部で生成して閉じ込めるものであり、隔壁(40)により画定されたチャンバー(4)と、
    少なくとも一つのマイクロ波エネルギー発生装置と、
    請求項1〜12の何れか1項に記載の少なくとも1つの前記基本装置(1)であって、前記接続機構(3)が、前記マイクロ波エネルギー発生装置と接続され、前記絶縁体(26)の外表面(27)が、前記隔壁(40)を貫通して前記チャンバー(4)内に延出する
    ことを特徴とする設備。
  14. 請求項13に記載の設備において、
    前記同軸照射装置(2)の前記アウターシールド(24)は、一部が前記チャンバー(4)に取付けられ、密閉された状態で前記隔壁40を通り抜けるように構成されている、又は、少なくとも一部が前記隔壁(40)と一体形成されている
    ことを特徴とする設備。
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