JP4152135B2

JP4152135B2 - 導電体近接領域で表面波励起プラズマを発生する方法と装置

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Publication number: JP4152135B2
Application number: JP2002201025A
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Inventors: 裕之上坂; 高一斧
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Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2008-09-17
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非誘電体領域、特に導電性金属面に沿って表面波励起プラズマを発生する方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体基板や液晶ガラス基板を始め、種々の有機材料、金属材料等の表面処理においては、スパッタリング、エッチング、アッシング、クリーニング、又はプラズマＣＶＤ等のプラズマ加工がよく用いられる。プラズマを高密度で発生するためには、一般にマグネトロン方式や、ＥＣＲ放電を採用するが、これらの有磁場方式ではエネルギー効率が悪く装置構成も複雑で高価となり、電波障害等の弊害も多い。従って、プラズマ加工においては、まずプラズマの主発生源が無磁場方式であること、及び被加工面の形状に応じた均一密度分布のプラズマ相を形成することが肝要である。
【０００３】
そこで、注目されるのが、いわゆる表面波励起プラズマの方法であり、例えば、特開平１１−１０２７９９号公報においては、プラズマチャンバーの中央部に位置せしめた誘電体の表面に沿って、マイクロ波を伝播させることにより、この表面付近に電磁界エネルギーを集中させて高密度なプラズマを発生し、これによるプラズマ相の拡張によってチャンバー内の底部に配置された被処理基板に比較的均一且つ高密度なプラズマを作用させる表面波励起方式のプラズマ発生装置が開示されている。
【０００４】
しかしながら、この公報に開示されたプラズマ発生装置は、マイクロ波送出アンテナを包囲し又はマイクロ波放出スリットに連なる誘電体管又は棒が、プラズマチャンバーの天面から垂下しており、プラズマスパッタリングを意図する場合、常套的に誘電体以外の物質、典型的には金属体をターゲットとし、これに被処理基板等を対置させてプラズマスパッタリング及び膜形成を行うという構成をとりにくい。同様の欠点は、上記公報に先行技術として記載された平板形誘電体を用いる場合にも存在する。
【０００５】
そこで、発明者は表面波励起プラズマによりスパッタリングを行う場合には、最も高密度にプラズマが発生する表面波伝播領域においてターゲット物質が存在するならば、そのターゲット物質からはプラズマ粒子の衝突により最大効率で原子放出が行われ、この原子放出面に対向し又は包囲した被加工物の表面に効果的に、スパッタリング膜を形成しうるであろうことに着目した。従って、金属体をターゲットとする場合は、その金属体の表面に沿ってマイクロ波を伝播させればよいことになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、表面波励起プラズマを発生する場合における「表面」とは、図１Ａにおいて模式的に示す通り、ある程度以上の電子（イオン）密度におけるプラズマ相１と、これに接する誘電体２との界面３のことであり、一端側から供給されたマイクロ波４はこの界面に電磁波のエネルギーが集中した状態で（表面波として）伝播される。その結果、界面３に接するプラズマ相１は高エネルギー密度の表面波によって励起・増幅され、高密度プラズマ相を生成・維持するが、この場合の誘電体を金属体に換えたとしても、金属には概して導電性があるため、好ましい表面波の伝播及びプラズマ励起を生ずることはできない。
【０００７】
一方、プラズマ相に接する物体の表面近傍には、本質的に単一極性の荷電粒子層、いわゆるシースが形成されるが、物体が負バイアス電圧を加えた金属導電体の場合、シースとは電子密度が低い層（従って、正極性）であって、ほぼ誘電率ε≒１の層となる。このため、負バイアス電圧を高めることによりシース層の厚さを大きくすることができれば、図１Ｂに示すように、このシース層５をもって、プラズマ相１との界面に表面波４を伝播する誘電体として作用させることにより、金属導電体６の表面には表面波４に基づく高密度励起プラズマによって直接イオン衝撃を与え、スパッタリングを行うことが可能となる。
【０００８】
このことを確認したのが、図２に示す実験方法と実験結果の模式図である。同図Ａの実験装置では、導電性を有するターゲット金属棒６ａは、真空吸引可能なプラズマチャンバー７の一端における石英窓８から、同チャンバー７内に突設され、石英窓８の外面は導波管９のマイクロ波出口に接続される。ターゲット金属棒６ａには、調整可能な負バイアス電源Ｅｂが接続される。かくして、チャンバー７内には実験に適した不活性ガスであるアルゴンＡｒを供給するとともに、適当に減圧・吸引（Ｓｕｃ．）し、導波管９からはマイクロ波、例えば、ｆ＝２．４５ＧＨｚの電磁波を放出・供給することにより、誘電体としての石英窓８の内表面及び金属棒６ａの近接包囲空間における表面波の伝播と、プラズマ励起状態を観察した。
【０００９】
図２Ｂはターゲット金属棒６ａにバイアス電圧を印加することなく（Ｅｂ＝０ボルト）、石英窓８にマイクロ波を投入した場合に、その石英窓８の内側に表面波が定在することにより、その周辺で励起発光したプラズマを、図２Ａの視線ＣＬに沿って暗室（チャンバー）中で撮影した写真から得たイメージの模式図である。明確なプラズマ１０は石英窓８内面の周辺領域に限られるが、金属棒６ａの突出方向にも微細で不可視のプラズマ拡散相が存在する筈である。このようなプラズマ１０は本発明における表面波励起プラズマの初期点火（プラズマ相の初期生成）として利用することができる。
【００１０】
図２Ｃはこの状態からターゲット金属棒６ａに負のバイアス電圧（Ｅｂ＝−１５０ボルト）を印加することにより、この金属棒６ａに沿ったプラズマ相１０’が形成されたことを、同じく写真撮影により確認し、模式的に示したものである。このように、マイクロ波を投入し且つ金属棒６ａに負のバイアス電圧を印加した結果、金属棒６ａに沿って高密度なプラズマ相１０’を形成しえたということは、金属棒６ａの表面に沿って比較的厚いシース５が形成され、マイクロ波はこのシースとプラズマ相１０’との境界面に沿って（表面波として）伝播し、プラズマ相１０’の更なる励起を行うという相乗効果が生じたことを示している。
【００１１】
本発明の一つの目的は、上記の如く解明された、金属等の導電体からなるターゲット近傍において誘電体を介在しない表面波励起プラズマ現象、従って導電体ターゲット自体を表面波アンテナとして利用した表面波励起プラズマにより、スパッタリング又はイオンインプランテーション等のプラズマ加工を行うに適したプラズマ発生方法及び装置を提供することである。
【００１２】
本発明の第２の目的は、プラズマによる管内面加工又は棒状体の表面加工を行う際に困難とされてきた筒状空間内での高密度プラズマの生成を、比較的低コストで行うことができるようにした導電体ターゲット近傍での表面波励起プラズマの発生方法及び装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、第１発明は、導電体からなるターゲットをマイクロ波供給口に近接しかつこれから突出するように配置し、前記ターゲットの表面に近接してプラズマ相を初期生成し、前記マイクロ波供給口からマイクロ波を放出しかつ前記ターゲットに負バイアス電圧を印加することにより、プラズマ相に対向してターゲット表面の近傍に生成される電子密度の低いシース領域を拡大し、前記マイクロ波を前記シース領域およびプラズマ相の境界に沿って前記マイクロ波供給口から外向きに伝播させることにより、前記ターゲットを表面波アンテナとして機能させ、表面波励起プラズマを発生させることを特徴とする表面波励起プラズマの発生方法を構成したものである。
【００１４】
第１発明の構成において、前記マイクロ波供給口に誘電体を介在させ、前記マイクロ波供給口から放出されたマイクロ波を前記誘電体に作用させて、前記ターゲット表面に近接した誘電体表面に表面波として伝播させ、この近接領域において表面波励起プラズマからなるプラズマ相を初期生成することが好ましい。
【００１５】
また、第１発明の構成において、プラズマ生成用ガス入口および排気口を有するとともに、前記マイクロ波供給口が接続されたプラズマチャンバーを準備し、前記ターゲットを、前記プラズマチャンバー内において前記プラズマチャンバーに対して電気的に絶縁しつつ前記プラズマチャンバー内部に向かって突出するように配置することが好ましい。
かかる構成とすることによって、所望のプラズマ生成ガスを用いて所望の圧力（または真空度）で実施することができる。
【００１６】
上記の目的を達成するため、また、第２発明は、プラズマ生成用ガス入口と排気口、およびマイクロ波供給口を有するプラズマチャンバーと、前記プラズマチャンバー内において、前記マイクロ波供給口から、前記プラズマチャンバーに対して電気的に絶縁しつつ前記プラズマチャンバー内部に向かって突出するように配置された導電体からなるターゲットと、前記ターゲットの表面に近接してプラズマ相を初期生成する手段と、前記ターゲットに負バイアス電圧を印加することにより、前記初期生成されたプラズマ相と前記ターゲット表面との間における低電子密度シース領域を拡大するためのバイアス電源と、を備えていることにより、プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に表面波励起プラズマを発生させるものであることを特徴とする表面波励起プラズマの発生装置を構成したものである。
【００１７】
第２発明の構成において、前記プラズマチャンバー内において前記プラズマ相を初期生成する手段が、前記マイクロ波供給口から放出されたマイクロ波を前記誘電体窓に作用させて、前記ターゲットの表面に近接した側の誘電体窓表面に表面波として伝播させ、この近接領域において表面波励起プラズマを発生する機構からなっていることが好ましい。また、好ましくは、前記プラズマチャンバー内において前記プラズマ相を初期生成する手段が、前記バイアス電源において点火放電用の交流電圧を前記負バイアス電圧に重畳する回路手段からなっており、さらに好ましくは、前記回路手段は、前記点火放電後においても、プラズマ放電促進用の交流電圧を前記負バイアス電圧に重畳するようになっている。
【００１８】
第２発明の構成において、また好ましくは、前記チャンバー内において前記プラズマ相を初期生成する手段が、前記チャンバーを包囲し、少なくとも前記ターゲットにおける前記マイクロ波供給口に近接した領域を磁気的に励起するための永久磁石又は電磁石より構成された磁場発生手段からなっている。また、プラズマ相の生成後において、前記チャンバーの周壁の内側を巡るプラズマ閉じ込め用の磁場を生成する磁場発生手段をさらに備えていることが好ましい。
【００１９】
第２発明の構成において、また好ましくは、前記ターゲットは棒状体の形状を有し、前記導入されたマイクロ波が、前記ターゲットの外周面の近傍に形成された、プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に沿って伝播するようになっている。それによって、この棒状体を包囲した被加工筒体の内面にスパッタリング金属による効果的な成膜を効果的に行うこと、または棒状体ターゲットへのイオンインプランテーションを効果的に行うことができる。
または、前記ターゲットは筒状体の形状を有し、前記導入されたマイクロ波が、前記ターゲットの内周面の近傍に形成された、プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に沿って伝播するようになっている。それによって、筒状体によって包囲した棒状体（被加工体）の外面にスパッタリング金属による効果的な成膜を行うこと、または筒状体ターゲット金属へのイオンインプランテーションを行うことが可能となる。
または、前記ターゲットは板状体の形状を有し、前記導入されたマイクロ波が、前記ターゲットにおける前記マイクロ波供給口側からチャンバー内に向かう表面の近傍に形成された、プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に沿って伝播するようになっている。それによって、対向した被加工基板面にスパッタリング金属による効果的な成膜を行うこと、または板状体ターゲット金属へのイオンインプランテーションを行うことが可能となる。
【００２０】
また上記目的を達成するため、第３発明は、マイクロ波を導く導波管と、前記導波管の終端から電気的に絶縁して突設された導電体からなるターゲットと、前記ターゲットに負バイアス電圧を印加するための電源とを備え、マイクロ波を、バイアス電圧の大きさに応じて前記ターゲットの周囲に形成される、プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に沿って伝播させ、それによって表面波励起プラズマを発生させるものであることを特徴とする表面波励起プラズマの発生装置を構成したものである。
【００２１】
もっとも、上記のプラズマ発生装置においては、必ず被加工物に成膜を施すか、又は導電体ターゲット自体にイオンインプランテーション加工を行うことが必須の使用目的ではなく、ターゲットへの負バイアス電圧の調整等を行い、表面波励起により高密度プラズマ（１０¹¹〜１０¹²ｃｍ^-3）を発生すること自体に、新たな応用分野への適用が期待される。以下、図３〜図９を参照して本発明の好ましい実施形態につき説明する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図３は第１の実施形態における基本構造の要部断面及び電気接続図である。図３において、１１はプラズマチャンバーを構成する真空容器、１２はマイクロ波発振器１３から、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を真空容器１１に供給するため、その容器上端に曲折・接続されたマイクロ波供給口１２ａを有する導波管である。マイクロ波発振器１３は駆動電源１４に接続されて駆動されるようになっている。
【００２３】
真空容器１１は、この場合、金属製であって直立ドラム状をなし、上端の中心開口を外側から板状の誘電体窓１５で被蓋された構造を有し、この誘電体窓１５から垂下支持した例えば銅などのような導電体からなる棒状ターゲット１６の実質的部分を包囲し、容器下端壁の下部絶縁板１７から電気接続のため下端部を僅かに突出せしめている。１８は負バイアスを得るための直流電圧を主体とした交流電圧を含むプラズマ励起・促進用電圧を棒状ターゲット１６に印加するためのバイアス電源であり、図示しないが駆動電源１４と共通の制御回路によって制御されることができる。
【００２４】
導波管１２のマイクロ波供給口１２ａ内には、同軸導波回路を形成するため、絶縁性円錐台１２ｂから突設された同軸円筒導体１２ｃを有し、その円筒導体１２ｃの先端が誘電体窓１５の支持凹面において棒状ターゲット１６の基端部と背中合わせの位置を占めている。誘電体窓１５は前述したように、プラズマの初期点火に用いうるが、別の効果的な初期点火手段としては、マイクロ波供給口１２ａの先端外周に沿った真空容器の上端板状にＥＣＲ励起用の永久磁石又はマグネットコイルの配列１９を、所望に応じて配置することができる。
【００２５】
かくして、この実施例の装置では、真空容器１１内において筒状の被加工材料２０を、適当な支持手段（図示せず）により、棒状ターゲット１６の周囲に、好ましくは同軸状に包囲するように配置して、これにプラズマ加工を行うことができる。例えば、真空容器１１内にはプラズマ生成用ガス入口１１ａよりアルゴンを供給し、排気口１１ｂより適当に真空吸引して器内圧を適当に調整する。次いでマイクロ波発振器１３から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管１２を介して真空容器１１に供給する。これにより、マイクロ波は棒状ターゲット１６の付け根に対応する誘電体板１５の表面に沿って表面波となり、伝播又は定在して周囲の気相を励起しプラズマ相を初期点火する。この初期プラズマ相は当然に棒状ターゲット１６の付け根部に近接して存在する。
【００２６】
ここで、棒状ターゲット１６に−１００Ｖより高い負のＤＣバイアスをかけると、この負電位に帯電した棒状表面に近接したプラズマ相の部分領域におけるマイナスイオン粒子（電子）が、プラズマ相内部に向かって押し戻され、電子密度の低い、所謂プラズマシースが形成され、これがプラズマ相に接した誘電体の働きをして表面波の伝播域を拡大し、更なるプラズマ相の励起、そのプラズマ相の拡大に伴うシースの拡大、更なるプラズマ相の励起、という相乗効果を瞬時に発生し、図示のように棒状ターゲット１６を包囲した被加工材料２０（筒状体）の内側に、均一且つ高密度な定常プラズマ相２１を生ぜしめる。これにより、棒状ターゲット１６（この場合、銅棒）表面は、プラズマ粒子により激しく衝撃を受け、金属原子Ｃｕを飛散（スパッター）させられる。飛散したＣｕの原子蒸気は被加工材料２０（筒状体）の内壁に被着し、短時間の内に成膜される。
【００２７】
このような、本発明による筒内面の成膜処理は再現性がよく、そのスループットは、同様な形状・寸法の筒内面を従来法により処理していた場合の１０倍にも達する。これは、一般に筒状体内においてはプラズマを生成しにくく、従来は例えば、軸線に沿った金属線ヒータターゲット方式ではプラズマの励起に時間がかかり且つ断線の危険があり、ＥＣＲ共鳴による方式では軸方向に短い局限的範囲でしかプラズマ生成できないため、ＥＣＲ共鳴点を軸線に沿って順次移動させなければならない、等の欠点があったという事情が、本発明によって完全に解決しえたからである。
【００２８】
上述したプラズマ加工の初期点火においては、誘電体窓１５による部分表面波励起方式を用いたが、電源１８により棒状ターゲット１６に負バイアスとともに適当な電圧及び周波数とした励起用交流電圧を重畳したり、ＥＣＲ励起用磁石配列１９の近接・有効化を行う等の方法を用いてもよい。また説明したプラズマ加工は、この場合、セラミック筒の内面に、銅被膜を成膜した例であるが、他の金属ターゲットによる他の筒状材料の内側硬膜処理、例えばターゲットをチタンとし、プラズマ生成用ガスとして窒素を用いることにより、ステンレス管の内面に窒化チタン膜を形成して耐磨耗性及び耐腐食性の向上を図ること、又は炭素棒ターゲットによる筒状体内面のＤＬＣ（ダイヤモンドライク・コーティング）処理を、この方式において実行すること等ができる。
【００２９】
図４は、第２の実施形態における基本構造の要部断面及び電気接続図である。図４において、図３に示した部分と同一の参照数字を付した部分は、同一の機能部分であり、説明を省略する。この第２の実施形態においては、図３のターゲットと被加工材料との形状と位置関係を逆転し、中心には適当な方法で棒状の被加工材料２６を配置し、これを包囲するように絶縁基材２７に支持した導電体からなる筒状ターゲット３０を配置する。この場合、導波管１２のマイクロ波供給口１２ａには、比較的大きい同軸絞り孔１２ｄを有し、先端開口には口径一杯に誘電体窓１５’が嵌入されている。この場合、初期点火用の部分表面波は誘電体窓１５’の裏面（真空容器内に接する面）の全面に沿って伝播・定在して、筒状ターゲット３０の上端に近接し、負バイアスされる同ターゲット表面の初期シースと十分な相互作用（シースとプラズマ相の、表面波を介した相互拡大作用）を発揮する。
【００３０】
第２の実施形態は以上の通りであって、第１の実施形態とはターゲットと被加工材料との関係が逆転しているため、棒状の被加工材料２６の表面に対して、筒状ターゲット３０からの飛散原子蒸気により、同様なスパッタリング蒸着を行うことができる。その他の変形実施態様が可能であることも、第１の実施形態と同様である。
【００３１】
図５は、第３の実施形態における基本構造の要部断面及び電気接続図である。図５において、図３に示した部分と同一の参照数字を付した部分は、同一の機能部分であり、説明を省略する。この第３の実施形態においては、図３の棒状ターゲット１６と類似の棒状ターゲット１６’そのものがイオン・インプランテーションの被加工材料として、真空容器１１の範囲内において垂下支持され、このターゲット１６’を包囲する筒状体は存在しない。この例では、筒状体が存在しないことを利用して、プラズマ相２１に直接作用するプラズマ閉じ込めよう磁場（典型的には、環状のＮ／Ｓ極交互配列による磁場）発生手段２９を、所望に応じて真空容器１１の外周壁に沿うように設置する。磁場発生手段２９は永久磁石、又は電磁石の何れでもよく、プラズマ相の閉じ込め以外にプラズマズマ初期点火にも用いることができる。
【００３２】
この第３の実施形態において、プラズマは第１の実施形態と同様に励起・生成されることにより、ターゲット１６’の表面に、プラズマ相中のイオン粒子が打ち込まれ、所望の不純物層を形成することができる。プラズマ生成用ガスの種類や容器１１内の圧力は形成すべき不純物層や表層構造に応じて選択される。
【００３３】
図６は、第４の実施形態における基本構造の要部断面及び電気接続図である。図６において、図４に示した部分と同一の参照数字を付した部分は、同一の機能部分であり、説明を省略する。この第４の実施形態においては、図４の筒状ターゲット３０と類似の棒状ターゲット３０’そのものがイオン・インプランテーションの被加工材料として、真空容器１１の範囲内において垂下支持され、このターゲット１６’を包囲する筒状体は存在しない。
【００３４】
この第４の実施形態においても、プラズマは第２の実施形態（図４）と同様に励起・生成されるため、ターゲット３０’の内表面には、プラズマ相中のイオン粒子が打ち込まれ、所望の不純物層を形成することができる。プラズマ生成用ガスの種類や容器１１内の圧力は形成すべき不純物層や表層構造に応じて選択される。
【００３５】
図７は、第５の実施形態における基本構造の要部断面及び電気接続図である。この実施形態のものは、図３〜図６に示したチャンバー形とは異なり、チャンバーを用いずに、大気中で発生したプラズマを利用してプラズマ加工を行う携帯可能な装置であり、機能的には第１の実施形態（図３）から真空容器１１を除去したものと考えることができる。従って、図３に示した部分と同一の参照数字を付した部分は、同一の機能部分であり、説明を省略する。但し、マイクロ波供給口１２ａ先端中央の誘電体１５”は、同軸円筒導体１２ｃに保持される程度に小さくされ、導電体からなる棒状ターゲット３６は、この誘電体１５”にビス止め（図示せず）等の適当な方法により十分強固に保持されて、そのマイクロ波供給口１２ａより突出している。
【００３６】
この第５の実施形態においては、導波管１２のマイクロ波供給口１２ａからマイクロ波を放出し、棒状ターゲット３６に適当な負バイアス電圧を印加すると（適当な初期プラズマ相の点火プロセスを経て）、棒状ターゲット３６の周囲には定常的プラズマ相２１が生成される。この例では、据えつけられた機械の一部分等、真空容器内に収容しきれないものか、収容可能な単体でも大気中でターゲット対向面にプラズマ加工したいような被加工材料３７に対し、導波管１２から突設した棒状ターゲット３６を、図７に示す位置関係で固定する。従って、被加工材料３７の、ターゲット表面に対向した凹面には、ターゲット材料のプラズマスパッタリングによる蒸着及び表面改質を行うことができる。
【００３７】
ターゲット材料は、相手材料と加工目的に応じて種々に選択可能であり、場合によっては、作業位置において、後からプラズマチャンバーとして適用可能なコンテナ３８を被せ、プラズマ生成ガスの流通及び圧力調整を行うようにしてもよい。更に、この携帯型装置のターゲット３６の形状は、図示の棒状に限らず、被加工面の輪郭形状に応じて、球状、立体型、円錐又は角錐状、平板形、円錐台形等種々の形状とすることができる。
【００３８】
図８及び図９に示す実施形態は、これまでのターゲット／ワーク同軸配置型装置と異なり、平板状導体からなるターゲットを用いた装置であり、被加工材料もまた、ターゲットの正面側に形成されるプラズマ相により効果的に加工されるため、そのターゲット板に対向して配置される。これらの図においても、既に説明した部分と同一の参照符号を用いた部分は、同一の機能部分であるため、重ねての説明を省略する。また、これらの図においては、簡略化のため真空容器の壁の厚みを省略する。
【００３９】
図８に示す第６の実施形態では、導波管１２のマイクロ波供給口１２ａ’、１２ａ”は管先端部の一側面（図の下側面）に形成されたスリットからなるもので、それらは定在波を得るため、マイクロ波長の整数倍のピッチで平行に配置される。導波管１２側のマイクロ波供給口１２ａ’、１２ａ”には誘電体窓１５ａ、１５ｂが装着され、真空容器１１の上端面に適用される絶縁板３１、及びこの絶縁板３１装着されたターゲット板３２にも、これらのマイクロ波供給口１２ａ’、１２ａ”に連なるスリットが形成される。真空容器１１内において、被加工板３３は、マイクロ波供給口１２ａ’、１２ａ”の間隔をやや上回る程度の幅を有効加工幅とし且つターゲット板３２に対応する奥行きを有するものとして、適当な手段により、ターゲット板３２に対向して配置される。
【００４０】
この第６の実施形態においても、導波管１２のマイクロ波供給口１２ａからマイクロ波を放出し、ターゲット板３２に適当な負バイアス電圧を印加すると（適当な初期プラズマ相の点火プロセスを経て）、ターゲット板３２の下側空間には拡大されたシース層を介して定常的プラズマ相２１が生成される。これにより、被加工板３３の、ターゲット表面に対向した上面には、ターゲット材料のプラズマスパッタリングによる蒸着及び表面改質を行うことができる。
【００４１】
図９に示す第７の実施形態では、導波管１２のマイクロ波供給口は先端開口部に装着された誘電体窓１５’そのものにより形成される。この誘電体窓１５’は真空容器１１の側壁上端から同容器１１内を覗くように配置され、真空容器１１の天井壁の主要部には導電性を有するターゲット板３４が絶縁体３５を介して支持され、チャンバー内に面している。被加工板３３は、ターゲット板３４の投影面積内の大きさをもって有効加工面積とし、適当な手段によりターゲット板３４に対向して配置される。
【００４２】
この第７の実施形態においても、導波管１２のマイクロ波供給口からマイクロ波を放出し、ターゲット板３４に適当な負バイアス電圧を印加すると（適当な初期プラズマ相の点火プロセスを経て）、ターゲット板３４の下側空間には拡大されたシース層を介して定常的プラズマ相２１が生成される。これにより、被加工板３３の、ターゲット表面に対向した上面には、ターゲット材料のプラズマスパッタリングによる蒸着及び表面改質を行うことができる。
【００４３】
上述した第７の実施形態による装置構成において、被加工板３３を配置しない場合でも、プラズマは同様に励起・生成されるため、ターゲット板３４の内側表面には、プラズマ相中のイオン粒子が打ち込まれ、所望の不純物層を形成することができる。プラズマ生成用ガスの種類や容器１１内の圧力は形成すべき不純物層や表層構造に応じて選択される。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明によれば、導電体からなるターゲット近傍において誘電体を介在しない表面波励起プラズマ現象を発生させることにより、基本的にターゲット形状に対応した被加工材料に対し、スパッタリング又はイオンインプランテーション等のプラズマ加工を行うに適したプラズマ発生方法及び装置が提供される。
本発明は特に、プラズマによる管内面加工又は棒状体の表面加工を行う際に困難とされてきた筒状空間内での高密度プラズマの生成を、比較的低コストで行うことができるようにした導電体ターゲット近傍での表面波励起プラズマの発生方法及び装置を提供するものであることは明らかである。なお、内側面をターゲット面とする比較的大径の導電性筒状ターゲットを用意し、その内側に、棒状体でなく管状の材料を配置して先ずその材料の外側面をプラズマ加工し、今度はその材料を棒状ターゲットの周囲に配置すれば、その内側面も同様なプラズマ加工を施すことができる等、その工業上の利用価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術において誘電体とプラズマ相との界面にマイクロ波長の表面波が伝播し、プラズマを更に励起再生する状態（Ａ）、及び本発明において導電体ターゲットに面して形成されるプラズマシースと本体プラズマ相との界面にマイクロ波長の表面波が伝播し、プラズマを更に励起再生する状態（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図２】本発明の原理を証明するための実験装置の略図（Ａ）、その実験装置内のターゲット金属棒にバイアス電圧を印加することなく石英窓の内側に表面波を定在させたとき周辺にプラズマが励起発光した状態の模式図（Ｂ）、及びその石英窓周辺に励起発光したプラズマを種火とし負バイアス電圧を印加したターゲット金属棒の全長に沿ってプラズマ相を生成した状態の模式図（Ｃ）である。
【図３】本発明装置の第１の実施例を示す装置部の縦断面及び電気接続図である。
【図４】本発明装置の第２の実施例を示す装置部の縦断面及び電気接続図である。
【図５】本発明装置の第３の実施例を示す装置部の縦断面及び電気接続図である。
【図６】本発明装置の第４の実施例を示す装置部の縦断面及び電気接続図である。
【図７】本発明装置の第５の実施例を示す装置部の縦断面及び電気接続図である。
【図８】本発明装置の第６の実施例を示す装置部の縦断面及び電気接続図である。
【図９】本発明装置の第７の実施例を示す装置部の縦断面及び電気接続図である。
【符号の説明】
１１真空容器（チャンバー）
１２導波管
１３マイクロ波発振器
１４駆動電源
１５誘電体板
１６、３６棒状ターゲット
１７下部絶縁板
１８バイアス電源
１９ＥＣＲ用磁石配列
２０被加工材料（筒状）
２１プラズマ相
２６被加工材料（棒状）
２７絶縁基材
３０筒状ターゲット
３１絶縁板
３２、３４ターゲット板
３３被加工板
３５絶縁体

Claims

導電体からなるターゲットをマイクロ波供給口に近接しかつこれから突出するように配置し、前記ターゲットの表面に近接してプラズマ相を初期生成し、前記マイクロ波供給口からマイクロ波を放出しかつ前記ターゲットに負バイアス電圧を印加することにより、プラズマ相に対向してターゲット表面の近傍に生成される電子密度の低いシース領域を拡大し、前記マイクロ波を前記シース領域およびプラズマ相の境界に沿って前記マイクロ波供給口から外向きに伝播させることにより、前記ターゲットを表面波アンテナとして機能させ、表面波励起プラズマを発生させることを特徴とする表面波励起プラズマの発生方法。
前記マイクロ波供給口に誘電体を介在させ、前記マイクロ波供給口から放出されたマイクロ波を前記誘電体に作用させて、前記ターゲット表面に近接した誘電体表面に表面波として伝播させ、この近接領域において表面波励起プラズマからなるプラズマ相を初期生成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
プラズマ生成用ガス入口および排気口を有するとともに、前記マイクロ波供給口が接続されたプラズマチャンバーを準備し、前記ターゲットを、前記プラズマチャンバー内において前記プラズマチャンバーに対して電気的に絶縁しつつ前記プラズマチャンバー内部に向かって突出するように配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
プラズマ生成用ガス入口と排気口、およびマイクロ波供給口を有するプラズマチャンバーと、
前記プラズマチャンバー内において、前記マイクロ波供給口から、前記プラズマチャンバーに対して電気的に絶縁しつつ前記プラズマチャンバー内部に向かって突出するように配置された導電体からなるターゲットと、
前記ターゲットの表面に近接してプラズマ相を初期生成する手段と、
前記ターゲットに負バイアス電圧を印加することにより、前記初期生成されたプラズマ相と前記ターゲット表面との間における低電子密度シース領域を拡大するためのバイアス電源と、を備えていることにより、
プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に表面波励起プラズマを発生させるものであることを特徴とする表面波励起プラズマの発生装置。
前記プラズマチャンバー内において前記プラズマ相を初期生成する手段が、前記マイクロ波供給口から放出されたマイクロ波を前記誘電体窓に作用させて、前記ターゲットの表面に近接した側の誘電体窓表面に表面波として伝播させ、この近接領域において表面波励起プラズマを発生する機構からなっていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記プラズマチャンバー内において前記プラズマ相を初期生成する手段が、前記バイアス電源において点火放電用の交流電圧を前記負バイアス電圧に重畳する回路手段からなっていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記回路手段は、前記点火放電後においても、プラズマ放電促進用の交流電圧を前記負バイアス電圧に重畳するようになっていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
前記チャンバー内において前記プラズマ相を初期生成する手段が、前記チャンバーを包囲し、少なくとも前記ターゲットにおける前記マイクロ波供給口に近接した領域を磁気的に励起するための永久磁石又は電磁石より構成された磁場発生手段からなっていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
プラズマ相の生成後において、前記チャンバーの周壁の内側を巡るプラズマ閉じ込め用の磁場を生成する磁場発生手段をさらに備えていることを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれかに記載の装置。
前記ターゲットは棒状体の形状を有し、前記導入されたマイクロ波が、前記ターゲットの外周面の近傍に形成された、プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に沿って伝播するようになっていることを特徴とする請求項４〜請求項９のいずれかに記載の装置。
前記ターゲットは筒状体の形状を有し、前記導入されたマイクロ波が、前記ターゲットの内周面の近傍に形成された、プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に沿って伝播するようになっていることを特徴とする請求項４〜請求項９のいずれかに記載の装置。
前記ターゲットは板状体の形状を有し、前記導入されたマイクロ波が、前記ターゲットにおける前記マイクロ波供給口側からチャンバー内に向かう表面の近傍に形成された、プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に沿って伝播するようになっていることを特徴とする請求項４〜請求項９のいずれかに記載の装置。
マイクロ波を導く導波管と、
前記導波管の終端から電気的に絶縁して突設された導電体からなるターゲットと、
前記ターゲットに負バイアス電圧を印加するための電源と、を備え、
マイクロ波を、バイアス電圧の大きさに応じて前記ターゲットの周囲に形成される、プラズマ相と低電子密度シース領域との界面に沿って伝播させ、それによって表面波励起プラズマを発生させるものであることを特徴とする表面波励起プラズマの発生装置。