JP3364064B2

JP3364064B2 - シートプラズマ発生装置

Info

Publication number: JP3364064B2
Application number: JP24567595A
Authority: JP
Inventors: 光宏吉田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 2003-01-08
Anticipated expiration: 2015-09-25
Also published as: JPH0992489A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シートプラズマ発
生装置に係り、例えば大面積プロセス用プラズマ発生装
置、リニア型イオン源、金属等の大面積酸化膜生成装
置、フィルム等の表面処理装置、プラズマ加速器等のプ
ラズマを利用する装置全般への適用に有用で、更にはエ
ッチングやスパッター装置、薄膜生成装置等、効率よく
短時間で処理を行う必要性のあるシートプラズマ発生装
置として好適なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロ波を含む交流電場を用い
るシートプラズマ発生装置においては、図６に示す矩形
型電極１２を用いた高周波放電を用いる方法（以下これ
を高周波放電型と呼ぶ）、図７に示すマイクロ波導波管
３にスリットを開けたアンテナ１３を用いる方法（以下
これをスリットアンテナ型と呼ぶ）、及び図８に示す矩
形断面導波管３からマイクロ波を導入する方法（以下こ
れを矩形導波管型と呼ぶ）が用いられている。

【０００３】このうち、図６に示す高周波型装置は、真
空容器１と複数のコイル２を有するもので、高周波電源
１１からの高周波を真空容器１内の矩形断面を持つ電極
１２（図６（ａ）のＡ−Ｂ断面である図６（ｂ）参照）
に導入することにより、この電極１２内にて矩形断面を
持つプラズマＰを発生する。そして、このプラズマの輸
送、閉じ込めのための軸方向磁場Ｂｏの発生は、コイル
２によるのであるが、このコイル２による磁場にてプラ
ズマは矩形断面を保持しつつシート状プラズマとして終
端用の接地したターゲット９まで輸送される。

【０００４】次に、スリットアンテナ型装置を図７に示
す。図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ｂ断面であるが、こ
の図のようにマイクロ波を伝達する導波管３のＥ面（マ
イクロ波電場と垂直方向の面）に幅１cm程度、長さ数十
cm程度のスリット１３を開け、同様にスリットを開けた
真空容器１とＥ面で接合する。接合面は真空保持及びマ
イクロ波導入用に石英等の誘電体窓５を設置する。この
設置部において、真空容器外部にスリット１３を囲むよ
うに、ＥＣＲゾーン（Ｅ）発生、プラズマ閉じ込め、及
び輸送用磁場Ｂｏをスリット１３に垂直方向に発生させ
るための矩形型コイル２を設置する。マイクロ波入射部
付近には、プラズマのシート化を補助的に高めるために
真空容器外部にカスプ状磁場を発生する対になった永久
磁石１４を設置する。スリット状アンテナからマイクロ
波進行方向１０に垂直な方向にもれたマイクロ波によ
り、真空容器内にスリット幅と同様の長さを持つプラズ
マｐが発生し、上記の２個の永久磁石１４によるカスプ
状磁場で薄くシート化され、コイル２による磁場によ
り、ターゲット９まで輸送される。

【０００５】更に、図８にて矩形導波管型装置を示す。
図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ｂ断面で、真空容器１
の外側に複数のコイル２が設置され、このコイル２によ
りＥＣＲゾーン（Ｅ）の発生、プラズマ輸送及び閉じ込
めのための軸方向磁場Ｂｏを発生する。この場合、ＥＣ
Ｒゾーンは図７の説明でも用いたが、Electron Cycrotr
on Resonance（電子サイクロトロン共鳴のことであり、
磁場中の電子はサイクロトロン周波数にて回転運動を行
なうが、この周波数と同一周波数にて振動する電磁波を
プラズマ中の電子に作用させるとき、共鳴的にこの電磁
波のエネルギを電子の運動エネルギに変換でき、この共
鳴現象のことである。他方、プラズマの発生について
は、真空容器１には矩形の入射窓５を介してマイクロ波
伝送用矩形断面導波管３がつながるが、軸方向磁場Ｂｏ
に対して平行に導波管３から入射されたマイクロ波１０
により真空容器１内にて断面形状が入射窓５の形状に近
いプラズマｐを発生する。そして、発生したプラズマは
コイル磁場Ｂｏによりその形状を維持しつつターゲット
９に輸送される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た各装置には、それぞれ問題がある。すなわち、シート
プラズマ発生装置にあって、図６に示す高周波型装置で
は、発生したプラズマｐの自己バイアスによる高電位化
（数百Ｖ〜１kV）が避けられず、プラズマ中のイオンが
この電場により電極に向かって加速され、スパッタによ
る不純物が発生しこれが無視できない。また、電極１２
の出口付近における高周波電場に乱れによるプラズマ拡
散により、プラズマ形状が乱れプラズマ粒子がロスする
等の問題点があり、高密度で形状の安定したシートプラ
ズマ生成が困難であるという問題がある。

【０００７】更に、図７に示すスリットアンテナ型装置
では、プラズマの生成に当ってはマイクロ波の導波管３
中伝播方向と垂直方向への漏洩マイクロ波を利用するも
のであるため、プラズマｐによるマイクロ波の吸収率が
せいぜい数十％であり生成効率が悪い。そのため、経済
的に高密度プラズマを得る目的にはそぐわない。さら
に、スリットアンテナはプラズマシート化のために細く
（幅１cm程度）しているため高電力導入に際して、アン
テナ部の大気側における放電破壊が問題となるため高電
力導入が困難であるという問題がある。

【０００８】更に、図８に示す矩形導波管装置では、マ
イクロ波１０の導波管中の伝播方向と磁場の方向が平行
であるためＥＣＲゾーンにおいてマイクロ波は効率よく
吸収されるものの、マイクロ波は真空容器１の周辺に向
けて伝播する傾向にあるため、放電が不安定になりやす
く、また厚みの厚いプラズマが生成される。さらに、こ
の方式では伝送用導波管サイズの基本波（ＴＥ１０モー
ド）を用いるため、放電の強度が入射窓５の長辺の導波
管の長辺の中心に偏りがちであり、伝送用導波管幅より
幅の広いシートプラズマの発生は困難であるという問題
がある。

【０００９】本発明は、図８に示す矩形導波管型装置に
係り、その問題を解決することによりシートプラズマの
形状精度を整えられるシートプラズマ発生装置の提供を
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、次の構成を目的とする。（１）真空容器と、マイクロ波を伝える導波管と、この
導波管の端部を拡大するテーパ管と、このテーパ管の拡
大開口に設置してこの拡大開口と同形状を有する入射窓
と、一方の開口を前記入射窓に他方の開口を真空容器に
設けた金属管と、前記真空容器及び金属管部分を囲んで
配置したコイルから成ることを特徴とする。（２）上記（１）にあって、金属管と真空容器との間に
設けてこの金属管断面と同形状の断面を有する誘電体管
と、この誘電体管を囲んで設けたアンテナを有すること
を特徴とする。（３）上記（１）又は（２）にあって、並列に並べた複
数の導波管を、複数の入射窓を介して金属管に設けたこ
とを特徴とする。（４）上記（１）又は（２）にあって、金属管の断面形
状を矩形としたことを特徴とする。（５）上記（２）にあって、誘電体管を囲むアンテナは
この誘電体管断面全周に設けたことを特徴とする。

【００１１】マイクロ波伝送用矩形断面導波管の端に、
テーパ管を設置することで真空に導入する直前の導波管
断面幅を広くし、同時にＴＥ１０からＴＥｎ０（ｎ≧
１）に求めるモードに変換する。このマイクロ波を進行
方向に向け真空容器内へ入射すると、真空容器外に設置
したコイルによる磁場ＢｏによりＥＣＲプラズマが金属
管内、及び真空容器内に生成される。このとき、金属管
のプラズマ放出口を偏平な矩形にすることによりプラズ
マ中マイクロ波伝播、吸収分布を制御でき、同放出口か
ら磁力線に沿って厚みが狭く、幅の広いシートプラズマ
が生成される。換言すればテーパ管により真空に導入す
る直前の導波管断面幅を広くすると同時にマイクロ波を
基本波を含め最適なＴＥｎ０モード（ｎ≧１）に変換す
る自由度を持つことを組み合わせることにより入射窓の
長辺方向において、マイクロ波モードの選択により幅の
広い領域でのシートプラズマの発生が可能である。更に
は、プラズマ発生部である金属管終端に接続した誘電体
外周に設置された高周波矩形リング型アンテナにＭＨｚ
オーダーの高周波を印加することで、プラズマ内にアン
テナからプラズマに向かう方向、又はその逆方向に電場
が形成される。この電場と、コイルによる磁場の効果に
よりプラズマ粒子がＥ×Ｂの方向にドリフトしシートプ
ラズマの一様性を改善する。つまり、高周波による外部
電場の利用により、プラズマ粒子のＥ×Ｂドリフトによ
るシート幅方向の往復運動を利用することでシートプラ
ズマの形状をさらに精度よく整形することも可能であ
る。また、入射窓から磁力線に平行に入射されたマイク
ロ波が、ＥＣＲゾーンを決める磁束密度以上の磁束密度
領域ではプラズマで満たされた金属管内をＥＣＲゾーン
まで反射なしで伝播し完全に吸収されること及び真空内
に設置する金属管形状によりこの管内を伝播するマイク
ロ波のプラズマによる吸収分布（断面）を偏平な矩形状
に制御でき、同時に発生したプラズマを管内に閉じ込め
ることで磁力線に沿って輸送されるプラズマ断面を矩形
に、すなわち全体でプラズマをシート化可能である。

【００１２】

【発明の実施の形態】ここで、図１〜図５を参照して本
発明の実施例を説明する。なお、図１〜図５において、
図６〜図８と同一部分には同符号を付す。図１におい
て、１は真空容器、２は軸方向の磁場Ｂｏ形成及びＥＣ
ＲゾーンＥ形成用の電磁コイル、３は矩形断面のマイク
ロ波伝送用導波管、５はマイクロ波の入射窓、９はター
ゲットである。

【００１３】導波管３の端には、プラズマ広幅化のため
のテーパ管４、つまり図２（ａ）（ｂ）に示すようなこ
の導波管の断面幅を広くしてマイクロ波の伝送モードを
最適なＴＥｎ0 （ｎ≧１）モードに変換する自由度を与
える矩形断面型テーパ管４が接続される。この場合、テ
ーパ管４の管壁４ａは必ずしも直線である必要はない。
例えば、曲線すなわちラッパ状等でも電源側とのインピ
ーダンスマッチングがとれれば問題はない。

【００１４】更に、本実施例では、このテーパ管４の端
にプラズマ形状制御用金属管６がつなげられる。この金
属管６は、図２（ｃ）（ｄ）に示すようにマイクロ波の
入射窓５に対してプラズマ放射口ｍを厚み方向ｔに狭い
矩形に形成されており、プラズマを安定化し厚さ方向に
絞られたシートプラズマを生成することができる。

【００１５】また、本実施例では、金属管６の端と真空
容器１との間にあって、形状の調整の目的で備えられた
誘電体管７及び矩形リング型高周波アンテナ８が備えら
れる。ここでは金属管６の端と誘電体管７とは同一断面
形状を有する。また、アンテナ８は誘電体管７全体を囲
む断面形状を有し、更にはこのアンテナ８を磁場の向き
と平行に複数個設置してもよく、この場合、電気的に直
列又は並列に接続でき、更に並列の場合アンテナ相互の
印加高周波の位相をずらした設置でも状況に応じた調整
が可能である。図２（ｇ）においては、矩形リング型高
周波アンテナ８によって励起される電場Ｅ１をも示して
おり、この電場Ｅ１とコイル２による磁場Ｂｏにてプラ
ズマ粒子はＥ×ＢドリフトＤを行ないプラズマ分布の幅
方向ｈの一様性が改善される。すなわち、プラズマの均
一化の高精度化が図られる。なお、図１においては、真
空容器１は円形でも矩形でもよく、また、コイル２の形
状も真空容器１内に一様な軸方向磁場が形成されること
を条件として任意のものでよい。

【００１６】かかる図１、図２による構成にあって、導
波管３により導かれたマイクロ波１０はテーパ管４で最
適なＴＥｎ０（ｎ≧１）モードに変換され、真空保持用
の誘電体窓５を通してプラズマ形状制御用金属管６に導
入される。このとき生成するシートプラズマの幅に応じ
てモードを選択する。また、入射窓はテーパ管終端断面
と同形とするため、大電力入射に際して入射窓の大気側
における放電破壊の問題がない。導波管３から金属管６
に導入されたマイクロ波１０は、入射窓５に接し内部を
真空に引かれた金属管６内をＥＣＲゾーンＥまで伝播し
同金属管内にシートプラズマｐを生成する。生成された
プラズマは軸方向磁場Ｂｏに沿って輸送され、シート状
のプラズマが発生する。そして、更に金属管６の終端に
設置された高周波アンテナ８に高周波電圧を印加するこ
とで、この領域を通過するプラズマ粒子がＥ×Ｂドリフ
トによる幅方向（図２（ｇ）のｈ）往復運動を行ない、
シートプラズマの幅が広がると共に一様性化される。

【００１７】図３は大型化した例を示したものである。
同図に示すようにマイクロ波１０を真空容器１に並列に
導入し、金属管６、及び高周波アンテナ８を長辺ｈに長
い共通のものにすることで、任意の幅を持ったシートプ
ラズマ生成が可能である。並列化の他の例として更に図
４に具体的な配置を示す。同図に示す装置はテーパ管を
用いない例である。同図のようにマイクロ波伝送用導波
管３を接近して並列に並べることでマイクロ波を真空容
器１に並列に導入し、上記大型化の一例と同様に金属管
６、及び高周波アンテナ８を長辺（ｈ）に長い共通のも
のにすることで、任意の幅を持ったシートプラズマ生成
が可能である。この方式では上記大型化装置に比べ、同
幅のシートプラズマを得るためには並列導波管の数を増
やす必要がある。ここにおいて、テーパ管４が無くても
プラズマ厚さの調整ができるのは、アンテナからの高周
波による広幅化を行ない、金属管６とアンテナ８とで一
様化を行なうからである。更に、図５にその他の例を示
す。同図に示すように、真空容器１の両端からマイクロ
波を導入し、向き合う入射窓５、金属管６、及び高周波
アンテナ８を交互に配置することで長幅シートプラズマ
を生成することが可能である。この例ではプラズマ終端
にターゲットを設置せずシート面を使用する方法で応用
される。金属管６とアンテナ８とでプラズマの一様化を
行なうに当りマイクロ波の入射を左右に分けたものであ
る。図４、図５の例はいずれもアンテナに印加する電場
を強くでき、また周波数を数十ＭＨｚ以上と大きくでき
る。

【００１８】

【発明の効果】以上のように本発明は、マイクロ波と一
様磁場、及び形状を設定すべく真空に導入する直前の導
波管断面幅を広くしマイクロ波を最適モードＴＥｎ０
（ｎ≧１）に変換する自由度を与えるテーパ管、プラズ
マ、及びプラズマ中マイクロ波吸収分布を制御する金属
管、さらに形状整形の調整用高周波アンテナを用いるこ
とで、効率よく高精度シートプラズマを生成する装置で
ある。従って、従来における電極を用いた高周波放電の
特徴である不純物の混入が少ない。さらに、プラズマ中
での波の伝播を金属管で制御し、吸収にＥＣＲ条件を用
いているためマイクロ波の吸収率が１００％とすること
ができ、効率よく高密度プラズマの生成が可能である。
プラズマシート化には金属管を利用するため、マイクロ
波導入窓を導波管の断面と同形にすることができるため
大電力導入が可能であると共に大型化も容易に行うこと
ができ応用に便利である。さらに、高周波アンテナによ
る形状調整は、アンテナが直接プラズマに接触しないた
め電流が流れないため小電力による経済的な形状制御を
可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図。

【図２】主要部分の構成図。

【図３】大型化の一例の構成図。

【図４】大型化の他の例の構成図。

【図５】大型化のその他の例の構成図。

【図６】従来例である高周波放電型装置の構成図。

【図７】従来例であるスリットアンテナ型装置の構成
図。

【図８】従来例である矩形導波管型装置の構成図。

【符号の説明】

１真空容器２コイル３導波管４テーパ管５入射窓６金属管７誘電体管８アンテナ

フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−28883（ＪＰ，Ａ) 特開平６−287761（ＪＰ，Ａ) 特開平６−231899（ＪＰ，Ａ) 特開平２−291700（ＪＰ，Ａ) 特開平６−53173（ＪＰ，Ａ) 特開平５−21391（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 H05H 1/24 C23C 16/00 H01L 21/205 H01L 21/31 H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、マイクロ波を伝える導波管
と、この導波管の端部を拡大するテーパ管と、このテー
パ管の拡大開口に設置してこの拡大開口と同形状を有す
る入射窓と、一方の開口を前記入射窓に他方の開口を真
空容器に設けた金属管と、前記真空容器及び金属管部分
を囲んで配置したコイルから成ることを特徴とするシー
トプラズマ発生装置。
【請求項２】金属管と真空容器との間に設けてこの金
属管断面と同形状の断面を有する誘電体管と、この誘電
体管を囲んで設けたアンテナを有することを特徴とする
請求項１記載のシートプラズマ発生装置。
【請求項３】並列に並べた複数の導波管を、複数の入
射窓を介して金属管に設けたことを特徴とする請求項１
又は２記載のシートプラズマ発生装置。
【請求項４】金属管の断面形状を矩形としたことを特
徴とする請求項１又は２記載のシートプラズマ発生装
置。
【請求項５】誘電体管を囲むアンテナはこの誘電体管
断面全周に設けたことを特徴とする請求項２記載のシー
トプラズマ発生装置。