JP3735664B2

JP3735664B2 - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP3735664B2
Application number: JP2001286439A
Authority: JP
Inventors: 浩子木山; 学木山
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: JP2003100499A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体プロセッシングの分野において、大型の基板に対して、低ガス圧（＜１０mTorr）の放電で処理可能なプラズマプロセス装置に関するものであり、さらに、絶縁物および金属材料のプラズマエッチング、プラズマドーピング等で必要な制御可能な収束した低エネルギーイオンビーム（＜２００eV）と低温度（＜１eV）の電子で構成されたプラズマ電位が１eV以下のプラズマビームを大口径で長時間安定に生成するためのプラズマ生成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマプロセス装置では低電子温度、高密度、大口径プラズマが要請されている。しかもガス圧が高い場合にはダストの要因や不均一性の要因となるので低ガス圧での放電、即ち高電離プラズマの生成が要請されている。従来、プラズマプロセス装置ではプラズマを発生させるのにいろいろな方法が使われている。
【０００３】
第１の方法として、対向する２枚の電極間に高周波電場をかけるRF放電法であり、最も一般的な方法である。これは、ガス圧が高い（数１０mTorr以上）欠点を持つ。
【０００４】
第２方法として、電子サイクロトロン共鳴を用いてプラズマを励起するECR法がある。直流磁場に共鳴するマイクロ波周波数が必要であり、ガス圧は電子が衝突減衰を受けない程度の低い圧力（数mTorr以下）でなければならない。一般に、電子温度が高いので、多価イオンの生成には適しているが成膜などには適さないきらいがあった。さらに直流磁場を必要とするので、プラズマ口径が大きくなると磁場コイルが大きくなるので、製造コストが高くなる欠点を持つ。
【０００５】
第３の方法として、直流磁場を用いず、外部アンテナ（ホーンアンテナ等）を用いて放電管中にマイクロ波を導入してプラズマを生成するマイクロ波放電法がある。この方法では、パッシェン則に従うと数１００mTorr以上で、数cm以下の径のプラズマしか発生できない。プラズマ密度にもカットオッフがある欠点がある。
【０００６】
第４の方法として、誘電体中を伝搬する表面波を利用してプラズマを生成する表面波法が知られている。この方法では、ガス圧が高く（数１０mTorr〜数Torr以上）取れるので電子温度も低く、大口径プラズマが生成できる利点があるが、プラズマが一様でない欠点がある。
【０００７】
第５の方法として、通常核融合のNBIのイオン源で用いられているヒーターを用いてアーク放電でプラズマを生成するバケット型イオン源がある。これを図１で説明する。この装置は、プラズマ源でタングステンヒーター５とアノード４でアーク放電を行い、高密度プラズマを発生させる。さらに、その中のイオンのみを、プラズマ源に近接して配置された３枚の多孔電極、即ち、引き出し電極１、加速電極２、減速電極３で加速し、イオンビームとし、そのイオンビームの空間電荷を中性化電子源７で中和することで電気的に中性なプラズマビームを発生する。
【０００８】
この例ではプラズマ源はバケット型であり、通常は放電容器４の中に、上下左右４個所にタングステンヒーター５を設けカソードとし、周りの放電容器４をアノードとしてアーク放電によってプラズマを生成する。この装置は、低ガス圧（０．１mTorr以下）でも、高密度、大口径、低ガス圧、低温プラズマが容易に生成できるが、高温のヒーターはプラズマイオンの衝突、スパッタリングで消耗する欠点がある。しかも、反応性ガス中では消耗が激しく、長時間、定常放電するのは難しい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来の問題を解決することを目的とするものであり、プラズマ加工装置およびイオンビーム加工装置において、低ガス圧(<10 mTorr)で、均一、大面積のプラズマを長時間安定に発生させることを可能とする装置である。
【００１０】
本発明は、従来の第３の方法では低ガス圧での放電が不可能である上、大口径プラズマが生成できないので、第５の方法であるバケット型イオン源方式を用いプラズマ生成を行うが、第５の方法では高温ヒーターの消耗の問題があるので、これを回避することを本発明では課題とする。具体的には、アーク放電の代わりに、そのヒーター群を一対又は複数対の内部アンテナとしてマイクロ波を導入してマイクロ波放電でプラズマを生成する装置を実現しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、放電容器内に一対又は複数対の内部アンテナを設け、該一対又は複数対の内部アンテナにマイクロ波を導入してプラズマを発生するバケット型イオン源を特徴とするプラズマ発生装置を提供する。
【００１２】
前記放電容器が真空の場合に、前記一対又は複数対の内部アンテナ端付近でマイクロ波の最大電圧が発生できるよう、系のインピーダンスマッチングを取らず、分岐回路（アイソレーター）で反射波を入射波に変換し、アンテナ変換端から等価１／４波長の位置に終端を設けることによって系を共振させて、最大電圧が一対又は複数対の内部アンテナ端付近に出るようにすることで、低いマイクロ波電力でプラズマが点火でき、プラズマ発生と同時にマイクロ波電力が入射パワーの半分以上入るようにすることを特徴とする。
【００１３】
前記複数の一対又は複数対の内部アンテナは互いに対向して配列され、前記互いに対抗して配列された一対又は複数対の内部アンテナの電圧の位相を互いに逆にして電子を効率よく加速することでプラズマを生成することを特徴とする。
【００１４】
前記一対又は複数対の内部アンテナに前記マイクロ波が均等にバランスよく配分するためのデバイダー機構（分岐器）を設けたことを特徴とする。
【００１５】
前記プラズマは、加速電極及び減速電極により加速されてイオンビームを発生する装置として利用されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプラズマ発生装置の実施の形態を実施例に基づき図面を参照にして以下説明する。
【００１７】
本発明に係るプラズマ発生装置の特徴は、プラズマ点火までは一対又は複数対の内部アンテナ端付近でマイクロ波の電圧が最大となり、プラズマ発生と同時にマイクロ波電力が最大に入るようになマイクロ波導入のための構成を採用している点である。図２は、本発明に係るプラズマ発生装置の実施例の構成を示す図であり、この実施例では、プラズマビームを発生する装置として構成されている。
【００１８】
図２において、放電容器４内に、マイクロ波導入手段のための内部アンテナとして、一対又は複数対のタングステンヒーター（内部アンテナ）５が設けられている。マイクロ波は発振器１０から、分岐回路１１（アイソレーター）、入射・反射波モニターを付属した導波管１２を通って、分岐器１３（デバイダー機構）で複数の同軸線路１６に分割され、一対又は複数対の内部アンテナ５に導入される。この一対又は複数対の内部アンテナ５は、夫々互いに対向するタングステンヒーター（内部アンテナ）５ａ、５ｂとから成る。
【００１９】
放電容器４は熱負荷に耐えうるよう冷却パイプが埋め込まれた銅ブロック製とし、水冷されている。さらに、内面は熱負荷に耐えうるようモリブデンを全面に内張りし、プラズマ熱を銅ブロックへ伝えて冷却する。プラズマの粒子損失を減らすため、放電容器４の外部周りには永久磁石６が埋め込まれており、永久磁石６も水冷される構造となっている。
【００２０】
図３に示すように、内部アンテナ５のアンテナ変換端１８と電流導入端子８はほぼ同軸で構成してあるが電流導入端子８と可変長同軸終端器９との接続部には銅ブロック２３を設け、プラズマ熱を高圧空気を流して銅ブロック２３へ伝えて冷却する。電流導入端子８及び銅ブロックの冷却は、水冷としたほうがより冷却が可能となる。
【００２１】
上記構成を図２〜５においてさらに詳細に説明する。入射・反射波モニターを付属した導波管１２から導かれたマイクロ波を分岐器１３で複数の同軸線路１６に分け、計２本、４本、６本等の一又は複数対の内部アンテナ５でプラズマにマイクロ波を導入する。内部アンテナ５の本数を増すことによって、大口径で一様なプラズマが得られる。電圧の位相は向き合った内部アンテナ５ａ、５ｂ間を逆位相とする。
【００２２】
なお、簡略な方法として、従来のバケット型イオン源のヒーターを、一対又は複数対の内部アンテナ５として用いマイクロ波を導入する構成としてもよい。
【００２３】
ここで内部アンテナ５の長さ、即ち内部アンテナ５ａ、５ｂのアンテナ入力端２９から先端までの長さは、共振モードが成り立つように１／４波長の奇数倍とする。可変長同軸終端器９の終端長を等価１／４波長に決め、放電容器が真空の場合に反射波が最大となるように可変長同軸終端器９の終端長さを微調整とする。
【００２４】
具体的には図３に示すように、同軸線路１６の先端には可変長同軸終端器９が設けられている。可変長同軸器９は、外管９’と、この外管９’内に摺動可能に設けられたプランジャー２２から成る。プランジャー２２の基端には電気的に導通する摺動接触部２４が設けられており、プランジャー２２の先端のねじ２５を利用して、図中左右方向に移動させて終端長を調整する。ここで、終端長とは可変長同軸終端器９の外管９’と同軸線路の中心導体１９を短絡した位置からアンテナ変換端１８までの長さにある。この終端長を等価１／４波長となるように決める。
【００２５】
要するに、放電容器が真空の場合に反射波が最大となるように系を共振させ、マイクロ波の腹の位置にアンテナを接続する。放電容器にガス圧を導入し、マイクロ波電力が最小でプラズマ点火できるように終端長を微調整する。一端プラズマが発生すると、入射パワーの半分以上がプラズマで吸収され、プラズマが維持される。このとき、入射・反射波モニターを付属した導波管１２での反射波が減少する。
【００２６】
分岐器１３には、図４に示すように、可変長同軸変換部分１４が設けられている。さらに、分岐器１３には、同軸線路１６の出力バランスをとるため上下及び水平方向に夫々対となったスタブチュウナー１５が設けられている。同軸線路１６は、図５に示すように、中心導体１９と外部導体２１がテフロン等の材料からなる誘電体の層２０を介して同軸的に配置されて構成される。
【００２７】
分岐器１３への各同軸線路１６の取り付け位置はｘ方向に分岐器１３の先端面１３’から１／４波長内側にあり、ｙ方向には中心線（分岐器１３のｙ方向の幅の中心線。図４中ｘ方向線の記載されている同位置の線。）からパワーが８０％の位置とする。そして、ｚ方向には、次に説明するように、外部導体２１に対する中心導体１９の分岐器１３内への突出長さＬを調整して、最大電力がバランスよく引き出せるように取り付けられている。
【００２８】
分岐器１３への各同軸線路１６の取り付け構造、及びｚ方向への外部導体２１に対する中心導体１９の突出長さＬを調整するための構造を図５で説明する。分岐器１３に、その導出孔２６と同心で取り付け用のフランジ管２７が取り付けられている。このフランジ管２７を通して、誘電体２０で被覆された中心導体１９が分岐器１３内に突出しているとともに、外部導体２１の摺動接触部２１’がフランジ管２７に電気的に接続され摺動可能に挿入されている。
【００２９】
フランジ管２７の外側には回転操作環２８がフランジ管２７に螺合されている。この回転操作環２８をフランジ管２７に対して回動することにより、同軸線路１６の外部導体２１の基端部２２と誘電体２０で被覆された中心導体１９を図中左右方向に移動する。
【００３０】
これにより、誘電体２０で被覆された中心導体１９をその軸方向に移動して、導出孔２６から分岐器１３内への突出長さＬを調整することができ、お互いの同軸線路のバランスをとることができる。上下方向に対となった同軸線路１６（本実施例の場合は２対の同軸線路１６）が反対位相で、同軸線路全体（本実施例の場合は２対の同軸線路１６全体）で最大パワーが得られるように調整されている。又、外部導体２１の摺動接触部２１’はフランジ管２７に接触し、ショートされ、外部導体２１は、摺動接触部２１’、フランジ管２７を介して分岐器１３に接続されている。
【００３１】
スタブチュウナー１５は、図４に示すように、同軸線路１６の位置からｘ方向に１／２波長に配置し、さらに左右スタブチュウナー１５はさらに１／８波長に配置し、バランスをとるように構成されている。ｚ方向の位置は放電容器が真空の場合に反射波が最大となるように系が共振するように長さを微調整する。
【００３２】
本発明では、分岐回路１１としてアイソレーターを用い、反射波の一部を入射波に変換して使用する。即ち、系のインピーダンスマッチングを取らず、反射波を最大として、系を共振させて、最大電圧が一対又は複数対の内部アンテナ端付近に出るようにする。
【００３３】
このような構成のマイクロ波共振手段を用いることで、一対又は複数対の内部アンテナ端付近でマイクロ波電圧が局所的に大きくなる。この電場の大きな領域で電子を加速しプラズマを電離し、周囲に置かれた永久磁石６のカスプ磁場でプラズマを閉じ込めるので低いマイクロ波パワーでも低ガス圧領域で放電開始に必要な高電場が得られ、低ガス圧領域で大口径のプラズマが生成できる。
【００３４】
さらに、逆位相の複数アンテナによって、効率良く電子が加速される。これによって、ＥＣＲ法でなくても、マイクロ波放電法では困難な０．１mTorrのガス圧でもプラズマが生成できる。一旦プラズマが発生するとアンテナからの反射が減少、即ち、入射パワーの半分以上がプラズマに吸収され、プラズマが維持される。
【００３５】
ちなみにこのマイクロ波共振方法を取らないで系を調整した場合には１００mTorr以上でしか放電できなかった。外部アンテナである通常のマイクロ波放電と異なり、プラズマがバケットの中心で生成できるので一様で軸方向に減衰が少ないプラズマが生成でき維持できる。少ないパワーで効率よくプラズマが引き出せる。
【００３６】
一対又は複数対の内部アンテナは高耐熱材料であるタングステンであるので、アンテナからの不純物ガスの放出は通常の誘電体窓に比べ少ないことが予測される。一対又は複数対の内部アンテナは銅棒であってもよい。プラズマによって局所的に加熱されるような場合、その局所的に加えられた熱を速やかに同軸線路全体へと伝えることができ局所的な加熱によって損傷を受けることを防止できる。
【００３７】
一対又は複数対の内部アンテナの長さはマイクロ波の管内波長の１／４波長の奇数倍であってもよい。これにより、マイクロ波の打消し合いを防止することができ、より均一でかつ高効率なプラズマの励起が可能となる。
【００３８】
本発明は、上記の構成であるから、上記従来の第５の方法であるヒーターを用いたアーク放電でのプラズマ生成で問題であったヒーターの消耗によるバケット型イオン源の欠点が改善され、均一で大面積のプラズマが生成できる。これによって、大口径の低エネルギープラズマが長時間安定に生成できる。
【００３９】
このアンテナの変換端の同軸線路１６を取り外し、ヒーター電源につなぎ直せばタングステンヒーターによるアーク放電ができ、不活性ガスによるプラズマ発生装置およびバケット型イオン源となる。
【００４０】
本発明に係るプラズマ発生装置を実験で確認した結果、マイクロ波周波数は２．４５GHz、パワーは１０W〜１kW、ガス圧は０．１〜１０mTorr、プラズマの種類としては、アルゴンを始めとする希ガスプラズマさらに水素、メタン、酸素等反応性ガスでも安定したプラズマが生成でき、１００eV以下の低エネルギーイオンビームプラズマが生成できた。
【００４１】
図６にアルゴンビームの場合のマイクロ波パワーに対する引き出し電流I_drainと３０cm離れた位置でのイオンビーム電流I_beamを示す。この場合は、０．１mTorr、１０Wで放電できる。ここで引き出しイオン電流の有効口径は７０mm ｘ７０mmであり、３０cm離れた位置でのコレクターの直径は７０mm φである。コレクターは収束したビームのみを測定している。
【００４２】
マイクロ波のパワーを上げると引出し電流I_drain、イオンビーム電流I_beamが増加するが、１００W程度でマイクロ波パワーを上げても引出し電流が増加しないのは主として密度のカットオフによるものである。この方法によってエネルギーが５０〜１００eVのイオンでも５０〜７０mAの引出し電流が得られている。
【００４３】
図７に酸素ビームの場合のマイクロ波パワーに対する引き出し電流と３０cm離れた位置でのイオンビーム電流を示す。０．１６mTorrの場合５０Wで放電できる。Ａｒビームに比べ引き出し電流が小さいのはプラズマ密度が低いからである。イオンビーム電流もＡｒビームに比べ少ない。ガス圧が低いのでタングステンアンテナの損傷は観測されず、中性化ヒーターの損傷も少ない。
【００４４】
この発明のプラズマをタングステンヒーターによるアーク放電と比較すると、アーク放電では２kWで１０¹⁹/m³のプラズマ密度が得られたが、マイクロ波放電ではカットオフ密度が約１０¹⁷/m³である。そこで、この発明は大電流のイオンビームを得ようとするには適していない。しかし、アーク放電ではヒーターパワーが１ｋＷ以上必要であり全パワーに対してはマイクロ波放電の方が経済的で簡便である。プラズマ源の電子温度はアーク放電に比べ高く多価まで電離している。
【００４５】
よって、本発明は、一対又は複数対の内部アンテナを用いたマイクロ波放電で、低ガス圧でプラズマを長時間、安定に、効率良く生成することを特徴としたプラズマ生成装置であり、さらに、イオンエネルギーが１００ｅＶ以下のイオンビームプラズマを長時間、安定に生成することを特徴としたプラズマ生成装置を提供する。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく特許請求の範囲記載の発明の技術的事項の範囲内でいろいろな構成があることはいうまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば従来難しかった低ガス圧で大口径のプラズマをマイクロ波放電で生成でき、かつ、反応性ガスの低エネルギーかつ収束イオンビームを大口径で生成させることができる。従来型のイオンビームに比べ大口径のものができ、低コストで小型装置ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のプラズマビーム発生装置を示す図である。
【図２】本発明に係るプラズマビーム発生装置の実施例を示す図である。
【図３】本発明に係る可変長同軸終端器の構造とアンテナ入力端との関係を示す概略図である。
【図４】本発明に係るプラズマビーム発生装置に使用されるマイクロ波分岐器の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る可変長同軸変換部の構造を示す概略図である。
【図６】本発明に係るプラズマビーム発生装置の実験結果を示す図であり、100 eV、 Arプラズマビームの場合のマイクロ波パワーに対する引出し電流I_drain、イオンビーム電流I_beamを示す。
【図７】本発明に係るプラズマビーム発生装置の実験結果を示す図であり、100 eV、酸素プラズマビームの場合のマイクロ波パワーに対する引出し電流I_drain、イオンビーム電流I_beamを示す。
【符号の説明】
１引き出し電極
２加速電極
３減速電極
４放電用容器（アノード）
５一対又は複数対の内部アンテナ（タングステンヒーター）
６永久磁石
７中性化電子源
８電流導入端子
９可変長同軸終端器（アンテナ側）
１０マイクロ波発振器
１１分岐回路（アイソレーター）
１２入射・反射波モニターを付属した導波管
１３分岐器
１４可変長同軸変換（分岐器側）
１５スタブチュウナー
１６同軸線路
１７コレクター
１８アンテナ変換端
１９同軸線路の中心導体
２０同軸線路の誘電体（テフロン）
２１同軸線路の外部導体
２１’ 摺動接触部
２２プランジャー
２３同軸型接合部（銅ブロック）
２４プランジャーの摺動接触部
２５回転操作環
２６導出孔
２７フランジ管
２８回転操作環
２９アンテナ入力端

Claims

バケット型イオン源方式を用いたプラズマ発生装置のアーク放電の代わりにマイクロ波放電でプラズマを発生するプラズマ発生装置において、
前記マイクロ波を、放電容器内に互いに対向して配列された一対又は複数対の内部アンテナを設け、該一対又は複数対の内部アンテナに導入してプラズマを発生させることとし、
前記マイクロ波導入の構成は、マイクロ波発信器、分岐回路、その電圧の位相が互いに逆のマイクロ波にして一対又は複数対の同軸線路に均等に配分するためのデバイダー機構、前記一対又は複数対の内部アンテナにマイクロ波を導入する前記同軸線路、及び前記一対又は複数対の内部アンテナとから成り、
前記放電容器が真空の場合に系のインピーダンスマッチングを取らず、前記分岐回路で反射波を入射波に変換し、アンテナ変換端から等価１／４波長の位置に短絡終端を設けることによって系を共振させ、最大電圧が前記一対又は複数対の内部アンテナ端付近に出るようにするとともに、前記一対又は複数対の内部アンテナの電圧の位相を互いに逆にすることで、
電子を効率よく加速し、低いマイクロ波電力でプラズマが点火できるようにし、またプラズマ発生と同時にマイクロ波電力が入射パワーの半分以上入るようにすることを特徴とするプラズマ発生装置。
前記プラズマは、加速電極及び減速電極により加速されてイオンビームを発生する装置として利用されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。