JP3045619B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波を用いたマグネ
トロン放電によるプラズマ発生装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】添付図面の図３には従来のＥＣＲ放電型
のプラズマ発生装置が示され、この装置は、プラズマ室
Ａに導波管Ｂからマイクロ波導入窓Ｃを介してマイクロ
波を導入し、プラズマ室Ａ内で放電を起こすことにより
プラズマを発生するように構成されており、プラズマ室
Ａには軸方向磁場発生装置Ｄが設けられ、この軸方向磁
場発生装置Ｄはプラズマ室Ａの軸方向に磁場を発生する
コイルまたは複数の永久磁石を円周上に交互にＮ極、Ｓ
極がくるように配列して構成されている。磁場とマイク
ロ波との共鳴現象によって効率良くプラズマ室Ａ内にプ
ラズマが発生される。こうしてプラズマ室Ａで発生され
たプラズマまたはイオンは、軸方向磁場発生装置Ｄの励
磁による（発散）磁場或いはプラズマ、イオン引出し電
極部Ｅからの電場の作用により試料Ｆへ運ばれて照射
し、エッチング、スパッタまたはデポジション等の処理
が行われ、試料Ｆを加工することができる。

【０００３】また図４には従来のバケット型プラズマ発
生装置が示され、この場合にはヒータまたはマイクロ波
Ｇを用いてプラズマ室Ｈ内で放電を起こさせ、プラズマ
を発生する。プラズマ室Ｈの軸方向に磁場を発生するた
め複数の永久磁石Ｉが円周上に交互にＮ極、Ｓ極がくる
ように配列されている。こうしてプラズマ室Ｈで発生さ
れたプラズマまたはイオンは永久磁石Ｉによる（発散）
磁場或いはプラズマ、イオン引出し電極部Ｊからの電場
の作用により試料Ｋへ運ばれて照射し、エッチング、ス
パッタまたはデポジションのような処理が行われ、試料
Ｋを加工することができるようにされている。

【０００４】さらに、図５には従来のマグネトロン放電
を利用したプラズマ発生装置が示され、Ｌはカソード
で、環状（または長円形状）磁石Ｍ及びこの磁石Ｍの内
側で中心軸線に沿って配置された中央磁石Ｎを備えてい
る。またカソードＬに対向した位置にはアノードＯが配
置されている。磁石Ｍ、ＮはカソードＬの前面に磁場を
発生し、この磁場に直交する電場が加わってカソードＬ
の表面上に直交電磁場が形成される。そしてカソードＬ
の表面から二次電子またはエキソ電子が放射されると、
これらの電子はカソードＬの表面上の直交電磁場の作用
によりこれに垂直な方向にレーストラック状に運動す
る。この間にキャリアガスの分子と衝突することにより
エネルギの一部を失った電子は、電子に対するポテンシ
ャルの高いカソードＬには戻れず、直交電磁場中をレー
ストラック軌道を描きながら、磁場の中をドリフトして
ゆく。この間にキヤリアガスと衝突してイオン化し、生
じたイオンはカソードＬに向って加速されて衝突し、二
次電子の放出が行われる。そして、放出された二次電子
は最初にカソードＬから放出された電子と同様に振舞う
ことになる。このようにしてプラズマが成長してカソー
ドＬの前面にレーストラック状のプラズマが発生され
る。

【０００５】このような従来装置の動作においては、導
波管からマイクロ波導入窓を介して導入されるマイクロ
波またはヒータがエネルギ源すなわち電子の供給源とな
り、電子が共鳴的にエネルギを吸収し、その電子の電離
作用によりガスはイオン化され、プラズマが生成され
る。この場合外部磁界が存在すると、磁力線に電子が巻
き付いて直接放電壁へ行かずにガスとの衝突の機会が増
え、プラズマが形成され易くなる。従ってこの外部磁界
形成用装置としては円筒型コイルまたはミラー型コイル
或いはマルチカスプ型永久磁石或いはマグネトロン型磁
石が通常用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の大口
径プラズマ発生装置は、例えばバケット型イオン源では
熱フィラメントを使用しているため酸素等の活性ガスイ
オンを得ようとすると寿命が極度に短くなり、またＥＣ
Ｒ型（off-resonance を含む）では縦方向の磁場を用い
ているためにプラズマ密度の面内一様性が非常に悪くな
る等の問題点があった。液晶テレビジョンの発達や半導
体プロセスにおけるウエハの大口径化に伴って大面積基
板に対してプラズマ照射しようすると、プラズマ源を大
面積化しなければならない。しかしながら、上述のよう
なミラー型やマルチカスプ型のプラズマ源を備えたプラ
ズマ発生装置ではプラズマ引出し部に磁場が存在するた
めプラズマ密度の一様性が著しく悪くなり、液晶用ＴＦ
Ｔを製作したり、大口径基板を照射する場合には歩留ま
りが悪いという問題点があった。例えプラズマ源を大面
積化したとしても磁場を小さくする必要があるため、密
度が低く実際には使いものにはならない。また大口径化
しようとすると従来のＥＣＲ型の装置ではそれに伴い外
部磁場コイルに流す電流も大きくなり電力消費が大きく
なるという問題点が生じてくる。さらに、マグネトロン
放電型装置においては、プラズマは電子がマグネトロン
運動する領域に限られるため、密度の一様性のよいプラ
ズマを得ることはできない。

【０００７】そこで、本発明は、このような従来装置の
もつ問題点を解決して、大面積で一様でしかも電力消費
の少ないプラズマまたはイオンビーム照射を可能にした
プラズマ発生装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明によるプラズマ発生装置は、真空排気でき
る筒状容器の周方向外周に軸線方向に沿って並置されし
かも交互に逆方向の直流電流で励磁されて軸線方向に沿
って並んだカスプ磁場を発生する複数のカスプ磁場発生
コイルと、各カスプ磁場発生コイルによって発生される
カスプ磁場に対してマグネトロン放電が有効となる筒状
容器内の位置に配列された複数の高周波電極とを有する
ことを特徴としている。

【０００９】

【作用】このように構成した本発明によるプラズマ発生
装置では、筒状容器の周方向外周に軸線方向に沿って並
置されたカスプ型磁場発生コイルに交互に逆方向の直流
電流を流すことにより軸線方向に沿って並んだカスプ磁
場が発生される。そして各高周波電極は隣接したカスプ
型磁場発生コイルの中間に高周波電場を発生し、カスプ
型磁場発生コイルの中間に（Ｅ×Ｂ）力が働き、それに
より、電子は（Ｅ×Ｂ）力の方向にドリフトして円筒状
容器の内面に沿ってぐるぐる回るマグネトロン運動をす
る。このようなマグネトロン運動する電子のリングは筒
状容器の軸線方向に沿って幾つも形成され、パワー効
率、ガス効率よくプラズマが発生される。また、筒状容
器の軸線に沿った中心部分は最小磁場配位となるため密
度の一様性の良いプラズマを形成することができる。

【００１０】

【実施例】以下添附図面の図１及び図２を参照して本発
明の実施例について説明する。図１には本発明の一実施
例を示し、１は円筒状の真空容器で、その一端は閉じて
おり他端にはプラズマの引出し開口1aを備えている。円
筒状の真空容器１の円周方向外周に軸線方向に沿って複
数のカスプ型磁場発生コイル２が並置されており、これ
らのカスプ型磁場発生コイル２は交互に逆方向の直流電
流で励磁され、それにより軸線方向に沿って並んだカス
プ磁場を発生するようにされている。隣接コイル２の間
の位置において、円筒状の真空容器１にはガス導入口３
が設けられ、各ガス導入口３は図示してない適当なガス
供給源に接続される。また円筒状の真空容器１の内周壁
に沿ってそれぞれのびる複数の環状の高周波電極４が配
置され、各高周波電極４は図示したように高周波電源５
に接続されている。また、高周波電極４は、図２に示す
ように、カスプ型磁場発生コイル２によって発生される
隣接したカスプ型磁場（点線示す）間に高周波電場（実
線矢印で示す）を形成するように円筒状の真空容器１の
軸線方向に沿ってそれぞれ位置決めされている。また、
図１において６は試料であり、図示実施例では真空容器
１の引出し開口1aから引出されるプラズマを照射するよ
うにされているが、通常の仕方で真空容器１の引出し開
口1aに加減速電極を設けて、試料６にイオンの形態で引
出して試料６にデポジションやエッチング等の加工を施
すようにすることができる。

【００１１】このように構成した図示装置の動作におい
ては、円筒状の真空容器１の外周に設けた各隣接カスプ
磁場発生用磁石２に逆向きの直流電流を流すことにより
円筒状の真空容器１の軸線方向に沿ってカスプ磁場が発
生され、そして各カスプ磁場に対してマグネトロン放電
が有効となる位置に位置決めされた各高周波電極４によ
る高周波電場が印加される。その結果、電子は各高周波
電極の付近でマグネトロン運動し、円筒状の真空容器１
の軸線方向に沿ってマグネトロン運動する電子リングが
多数形成され、各電極４のまわりにプラズマが発生され
る。こうして発生したプラズマは各カスプ磁場の磁力線
に沿って磁場の強さがほぼゼロであるカスプ磁場の中心
領域へ拡散していく。これにより大きな面積をもちしか
も一様なプラズマを形成することができる。

【００１２】本発明による装置の有意性を調べるため、
容器内におけるプラズマ密度分布の一様性についてスペ
クトル分析法を用いて分析した結果、本発明による装置
ではスペクトル線の強度は高周波電極に印加する高周波
電力の増大と共に増大し、中心部分ではほぼ平らな特性
となり、プラズマの一様な分布の得られることが認めら
れた。比較例として従来のミラー型磁場を利用した場合
には容器の中心部分の強度は周縁部分より低く、一様な
プラズマ分布は得られなかった。また、ファラデーカッ
プを用いてイオン電流密度を測定した結果、本発明によ
る装置は従来のミラー型磁場を利用した装置と比較して
実質的に同じ磁場の強さ及び同じ高周波電力で三倍以上
のイオン電流密度が得られ、このことは、本発明による
装置が従来の装置に比べてパワー効率良くイオンを生成
できることを意味している。

【００１３】ところで、図示実施例ではプラズマ発生室
は円筒状に形成されているが、必要により任意の断面形
状をもつ筒状に構成することも可能である。

【００１４】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、真空排気できる筒状容器の周方向外周に軸線方向に
沿って複数のカスプ磁場発生コイルを並置し、これらの
カスプ磁場発生コイルを交互に逆方向の直流電流で励磁
し、また各カスプ磁場発生コイルによって発生されるカ
スプ磁場に対してマグネトロン放電が有効となる筒状容
器内の位置に複数の高周波電極を配置しているので、マ
グネトロン運動する電子のリングが筒状容器の軸線方向
に沿って多数形成でき、安定して高密度のプラズマを低
圧力で発生させることができ、しかも高周波電力や磁場
発生用の直流電流の値を変える必要なしに大口径化、大
面積化が可能であり、低出力、大面積のプラズマ源を容
易に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す概略断面図。

【図２】 図１の装置の要部の拡大線断面図。

【図３】 従来のＥＣＲ放電型プラズマ発生装置の原理
を示す概略図。

【図４】 従来のバケット型プラズマ発生装置の原理を
示す概略図。

【図５】 従来のマグネトロン放電型プラズマ発生装置
の原理を示す概略図。

【符号の説明】

１：真空容器 ４：高周波電極 1a：真空容器の引出し開口 ５：高周波電源 ２：カスプ磁場発生用コイル ３：ガス導入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢部 栄二 静岡県清水市殿沢一丁目１−９ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/11 H05H 1/46

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空排気できる筒状容器の周方向外周に軸
   線方向に沿って並置され、交互に逆方向の直流電流で励
   磁されて軸線方向に沿って並んだカスプ磁場を発生する
   複数のカスプ磁場発生コイルと、各カスプ磁場発生コイ
   ルによって発生されるカスプ磁場に対してマグネトロン
   放電が有効となる筒状容器内の位置に配列された複数の
   高周波電極とを有することを特徴とするプラズマ発生装
   置。