JP4451392B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施の第一形態に係る高周波電力供給装置は、図1に示すように、負荷としてのアンテナ1を複数備え、上記各アンテナ1に高周波電力を供給するための高周波発振制御器(電力制御部、プラズマ制御部)2と、上記高周波電力のための高周波信号を各アンテナ1に供給するための、高周波信号伝送用の分布定数線路3とを有している。分布定数線路3の特性インピーダンスは、50Ωに設定されている。
3)高周波回路系22から出力される高周波信号は、高周波回路系22を構成する位相変調器22b、周波数変調器22c、信号増幅器22dによって、出力される高周波信号の電力、周波数および位相が各々独立に制御可能なものとなっている。
統合制御系21は、上記のフィードバック制御により、プロセス装置内の状態を安定かつ再現性のよい状態に保つことが可能となる。
4)プラズマ発生装置においては、プラズマの均一性の制御、プロセスの安定性ならびに再現性をはかり、プロセス状態の一つであるプラズマ状態を現すモニターに出力する。
・増幅回路:プッシュ・プル式高周波電力増幅回路
・増幅器コスト=US$0.25/W
・増幅周波数帯域=2〜50MHz
・直流入力電圧=50V
・直流入力電流=40A〜50A
・高周波入力電力=最大10W
・高周波出力電力=1kW(10W入力時)
本願発明の効果について以下に説明する。
1)高周波発振制御器2から増幅器4へ供給される高周波信号の電力と周波数、位相および直流電力を制御することにより、高周波電力が独立に各アンテナ導体1aに対し、それぞれ供給され、かつ周波数、電力および位相と共にそれぞれの負荷に対するインピーダンス整合状態を能動的に制御することが可能である。
(周波数、電力、位相の独立制御可)
2)従来方式において必要な、インピーダンス整合器とアンテナ(負荷)との間で高周波電流を受動回路により分流するための分流回路が、本願発明では不要となり、分流回路に寄生するインピーダンスの不均一性による不均一な電流分布を回避することが可能となる。
3)大面積ないし大容積のプラズマ生成において、インピーダンス整合器から負荷への配線の長大化によるインダクタンスの増大を伴うことなく負荷としてのアンテナ1を増設可能となる。
(配線部のインダクタンスによるRF高電圧の発生が回避される)
4)高周波電力増幅器41の出力部からアンテナ1へは互いに低インピーダンスの集中定数回路を通じて直結可能(従来の50Ω伝送線路とのマッチング回路が不要)である。
5)複数実装により高出力化を低コストかつ容易に実現可能(従来の1/3以下)、特に、マルチアンテナ型ICP生成における新しい方式のRF電力の供給が可能となる。
図5(a)および図5(b)に示すように、各々のICPモジュールに供給される入力RF信号の位相制御を行うことにより、隣接するユニット間での位相関係で決まる実効的な電子の加速ポテンシャルが変化し、電子の加速ポテンシャルを変化させることにより電子エネルギー分布を制御できる。
分布制御について、図6に示す、内壁面が略直方体形状の真空容器6を有するプラズマ発生装置を用いた、本実施の第一形態を以下に示す。
・平面形状:水平方向の断面が矩形(長方形)
・長辺:123cm、短辺:103cm、高さ:38cm
・真空容器6の内側壁の各々よりアンテナ1を内部に配置。
・アンテナ1を2つの長辺から4本ずつ:(A1, A2, A3, A4)と(C1, C2, C3, C4)
・アンテナ1を2つの短辺から4本ずつ:(B1, B2, B3, B4)と(D1, D2, D3, D4)
・真空容器6の高さ方向にz軸、平面にx軸およびy軸をとる。
・z軸の原点は高さ方向の中心位置。
・xy面の原点は平面の中心位置。
・アンテナ導体1aの位置:Z=1.5cm
プラズマ分布のシミュレーション結果
・y=52cmにおけるプラズマ密度のx分布を図7に示す。
・シミュレーションの拘束条件(高周波電力供給)各面の両端2本に供給する電力は全て同じであり、各面の残りの2本に供給する電力は全て同じである。
・各面の4本全てに同じ電力を供給した場合は、図7(a)に示すように、隣り合う面との重なりあわせのために各面の両端部での密度が高くなりすぎることを特徴とする不均一な分布となる。
・各面の両端部のアンテナ導体に供給する高周波電力を残り2本よりも20%減じることにより、図7(b)に示すように、良好な一様性を有する分布が得られる。
・各面の両端部のアンテナ導体に供給する高周波電力を残り2本よりも40%減じることにより、図7(c)に示すように、各面の両端部での密度が低くなりすぎることを特徴とする不均一な分布となる。
Vs=Va−Vi=Va・Zs/(Zi+Zs)…(1)
ここで、Zi、Zsは、各々、絶縁体12およびシース部14の領域のインピーダンスを示す。このようにアンテナ導体1aの表面を絶縁体12で密に被覆することにより、アンテナ1とプラズマとの静電結合成分が抑制される(特開2001−35697号公報を参照)。
Vs=Va−Vv−Vi=Va・Zs/(Zv+Zi+Zs)…(2)
これにより、生成するプラズマのシース部14の領域に印加される高周波電圧を、真空領域18を隔てた絶縁体12の配置によって、効果的にかつ従来よりもさらに低減することが可能となり、前記の問題点を軽減できる。上記の式(2)では、Zvは真空領域18のインピーダンスを示す。
Vs=Va−Vv1−Vi1−Vv2−Vi2=Va・Zs/(Zv1+Zi1+Zv2+Zi2+Zs) …(3)
このように本実施の第一形態では、アンテナ導体1aの端部でのシース部14の領域に印加される高周波電圧を効果的に、かつさらに低減することが可能となる。
さらに、本発明に係る実施の第二形態のプラズマ発生装置では、図14ないし図16に示すように、アンテナ導体1aの端部である真空容器6の壁に近接した部分において、円筒状で、断面がジグザグ構造を有する接地電極15が、前記第一の絶縁体12aを同軸構造にて囲むように設けられている。
本発明では、真空容器6内にて、アンテナ導体1aから放射される高周波誘導磁場強度を測定するセンサー(図示せず)が設けられていることが望ましい。上記センサーとしては、後述する実施の第五形態に記載のセンサー30を用いることができる。
本発明のプラズマ発生装置の実施の第五形態は、図18に示すように、高周波磁場強度を測定するセンサー(磁場強度検出部)30を、真空容器6内において、アンテナ1からの距離が相異なる2点以上の各場所(図示せず)にそれぞれ設置して、それぞれの地点での高周波磁場強度と共に、アンテナ電流を測定するものである。
[1]アンテナ導体1aから放射される高周波誘導磁場強度の、プラズマ中での減衰特性が測定され、これによりアンテナ周辺(磁気プローブであるセンサー30を設置した場所近傍)でのプラズマ密度を予測することができる。
[2]該絶縁体12の表面付近の高周波誘導磁場強度の大きさを予測することができる。
[3]該絶縁体12の表面への付着物の度合いを予測することが可能である。
Bθ(r,t)=Bpexp(-r/δp)sin(2πf0t) …(4)
で表され、Bpは該絶縁体とプラズマが接する境界のプラズマ側の表面における高周波磁場のアンテナ1に垂直な成分の高周波磁場強度の振幅である。ここで、表皮深さδpは、放電ガスの種類、圧力、高周波の周波数、プラズマの電子エネルギー分布、プラズマ密度により決まるが、プラズマ生成を行う際は、放電ガスの種類、圧力および高周波の周波数は既知であり、結局のところプラズマの生成状態(電子温度およびプラズマ密度)のみに依存する。また、図20中においては、プラズマ密度が1011cm-3、電子温度が3電子ボルトのアルゴンプラズマ中での高周波磁場の減衰特性に関する計算結果を示している。
Bp=(1−ηd)B0 …(5)
で表される。ここで、ηdは該絶縁体12表面の付着物40の内側での高周波磁場強度が該付着物40による吸収・遮蔽のために減じられる割合を表しており、付着物40が全く無い状態ではηd=0であり、付着物40により高周波磁場が完全に遮蔽されている状態ではηd=1となる。
Bθ(r,t)=(1−ηd)k0Irf exp(-r/δp)sin(2πf0t) …(6)
で与えられる。ここで、式(6)のパラメータのうち、高周波の周波数f0は既知であり、比例係数k0は該絶縁体12の構造および材質で決まる定数であるため、結局のところ、プラズマの生成状態の指標である表皮深さδpと該付着物40による吸収・遮蔽の割合を示すηdの2つが未知数である。このため、プラズマ中で該絶縁体12の表面からの距離が異なる少なくとも2点での該高周波磁場強度計測と共にアンテナ電流Irfの測定を行うことにより、これらの未知数を決定することが可能である。
δp=(r1−r2)/ln[|Bθ(r2, t)|/|Bθ(r1, t)|]…(7)
ηd=1−|Bθ(r1, t)|/[k0 Irf exp(−r1/δp)]…(8)
これら式(7)および式(8)では、|Bθ(r1,t)|および|Bθ(r2,t)|は、各々Bθ(r1,t)およびBθ(r2,t)の振幅を表し、lnは自然対数である。
Vb∝2πf0|B| …(9)
と式(9)にて表される。このため、高周波磁場の計測に当たっては、プラズマ中の静電的な電位変動に対する静電シールドをセンサー30に設けることが、測定精度を高める上で好ましい。また、上記のループコイル34を用いる方法以外にも半導体ホール素子を磁場強度検出器として用いることも可能であるが、この場合も、プラズマ中の静電的な電位変動により素子に誘起されるノイズを抑制して測定精度を高めるために、静電シールドを設けることが望ましい。
[1]プラズマ中の静電的な電位変動に対する静電シールド34bを設ける。これにより、高周波磁場の測定精度を高めることができる。
[2]高周波磁場強度を検出するためのコイル導体34aにおける真空容器6内部に存在する部分の周囲に、絶縁体製の誘電体シールド32aを、プラズマとコイル導体34aとの接触を遮断するように配置する。
[3]誘電体シールド32aの周囲に、誘電体シールド32aの表面の全てがプラズマからの付着物で覆われないように、かつ、アンテナ1からの高周波誘導磁場が遮蔽されない構造を有する付着物シールド32bを配置する。
まず、従来のプラズマ源(複数の負荷を直列接続あるいは並列接続により高周波電源に接続して高周波電力を供給することによりプラズマを発生する)において、放電をパルス化する(高周波電力を供給する時間と供給を停止する時間とを周期的にかつ排他的に設ける)場合に関する問題点について説明する。
・高周波の周波数:13.56MHz
・高周波電力:300W
・パルス周期:10kHz
・パルスON時間:40μs
・パルスOFF時間:60μs
・放電ガス:Ar
・ガス圧力:20mTorr
本実施例における、プラズマ密度、電子温度、プラズマ電位のシミュレーション結果(図24(a)〜(c))を以下に示す。本実施例においては、隣接する他の誘導結合負荷により生成したプラズマを拡散させることにより、該負荷がパルスONとなる直前においても、上記の誘導結合負荷の近傍の密度を定常状態におけるプラズマ密度の40%を維持できる。
上記プラズマ発生装置では、真空容器内にて、負荷から放射される高周波誘導磁場強度を測定するセンサーを設けてもよい。
Claims (3)
- プラズマを発生させるための真空容器が設けられ、
高周波電力が印加されて誘導電界を発生させるアンテナ導体が、真空容器内に少なくとも1つ設置され、
アンテナ導体における、真空容器内部に存在する部分の周囲に、第一絶縁体が、プラズマとアンテナ導体との接触を遮断するように、第一空間領域を隔てて配置され、
さらに、前記第一の絶縁体の周囲に、第二空間領域を隔てて第二の絶縁体が配置されているプラズマ発生装置。 - 請求の範囲第1項に記載のプラズマ発生装置において、
前記アンテナ導体の真空容器の内壁に近接したアンテナ導入部にて、前記第一の絶縁体の周囲を囲む接地電極が設けられ、
上記接地電極の周囲に、前記第二の絶縁体が、プラズマと接地電極との接触を抑制するように配置されているプラズマ発生装置。 - 請求の範囲第2項に記載のプラズマ発生装置において、
前記接地電極は、アンテナ導体の通電方向に対し直交する方向に上記通電方向に沿って交互に突出するジグザグ構造を有しているプラズマ発生装置。
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