JP4874488B2 - 高周波整合ネットワーク - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、市販の高周波発生器（以下、高周波整合ネットワークと呼ぶ）の内部抵抗に負荷インピーダンスの同時調整によって、低圧気体放電（以下、プラズマと呼ぶ）の中への高周波の電気的交番磁界の供給のための装置に関する。
【０００２】
高周波励磁プラズマは、今日多くの技術分野で用いられているが、特に固体表面の処理で用いられている。たとえば、高周波プラズマは薄層のプラズマアシスト析出または表面のクリーニングおよびエッチングに使用される。高周波プラズマの駆動時に、使用した高周波発生器の内部抵抗に負荷インピーダンスを調整するために、インピーダンス整合ネットワークの使用が必要である。負荷インピーダンスが発生器の内部抵抗と一致する場合にのみ、発生器から負荷側への電力の好適な伝達が可能である。通例、負荷側と発生器との間に、両方のインピーダンスの調整を実施するインピーダンス整合ネットワークが接続される。
【０００３】
プラズマ励磁のための整合ネットワークは、今日の技術水準にしたがって単に反射された電力を最小限にし、それによってプラズマの中に供給された電力を最適化するために、発生器の内部抵抗への負荷インピーダンスの誘導調整が可能になるにすぎない。その場合、プラズマへの電気的交番磁界の結合は、電極を介してプラズマとの接触でまたは磁界の放射を介して誘電媒体を介して行われる。プラズマの励磁効率は、プラズマの励磁時に容量性または誘導性の占有率が励磁を上回るか否かが特に重要である。容量性の励磁は、電磁波がプラズマの縁層を介して放射され、かつその拡大時にプラズマの中心に向かって指数的な減衰が生じる場合に存在する。誘導性励磁の場合に、電気的交番磁界の結合がプラズマの中で誘導された磁気的交番磁界を介して行われる。通例、励磁は容量性および誘導性の部分を有する混合励磁からなる。保持された外部の高周波電力では、プラズマ結合の容量性部分が電圧振幅によって、かつ誘導性部分が電極に印加される電気的交番磁界の電流振幅によって決定される。
【０００４】
Ｒａｙｎｅｒ、ＣｈｅｅｔｈａｍおよびＦｒｅｎｃｈは、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ １４（４）（１９９６年７月／８月）、２０４８〜２０５５頁で、すでに２つの回路からなる高周波整合ネットワークを記載しており、前記回路は高周波空芯コイルの誘導性フラックスを介して互いに結合されている。
【０００５】
本発明は、高周波発生器の内部抵抗で負荷インピーダンスの同時調整時に電流振幅および電圧振幅の自由な選択を可能にすると共に、連続的にプラズマの容量性および誘導性の励磁の間の調整を許容する低損失のプラズマ励磁のための高周波整合ネットワークを提供することを課題としている。
【０００６】
本発明により、高周波整合ネットワークがコンデンサおよび可変のコンデンサと高周波空芯コイルとを有する高周波発生器の電力が供給される１次回路と、固定または可変コンデンサ、高周波空芯コイルおよびプラズマの生成のための少なくとも１つの励磁電極を有する２次回路とからなり、前記回路が高周波空芯コイルの誘導性フラックスを介して、かつ付加的に互いに容量結合されている。可変コンデンサの使用によって２次回路の中で連続的に容量性および誘導性のプラズマ結合の間で選択することができる。
【０００７】
１次回路と２次回路との間の容量性結合の度合は、１個または複数個の固定コンデンサまたは可変コンデンサによって調節することができる。コンデンサとしては、たとえばＣＣＲ ＧｍｂＨ成膜技術社の、出願番号第１０００８４８３．４号を有するドイツ特許出願「高周波空気コンデンサ」に記載されているように、表面に金または白金金属、たとえば白金製の層を具備している低電気抵抗を有する卑金属製の高周波空気コンデンサを使用することができる。高周波空気コンデンサは、板状コンデンサ、筒状コンデンサまたは球状コンデンサとして形成することができる。好ましくは、コンデンサがトリマとして形成されており、たとえばＣＣＲ ＧｍｂＨ成膜技術社の、出願番号第１０００８４８６．９号を有するドイツ特許出願「マルチリニア特性曲線を有する差動空気板トリマ」のような、特にマルチリニア特性曲線を有する差動空気板トリマとして形成されている。
【０００８】
マルチリニア特性曲線に基づき簡単な機能依存性をより良く適合できる前記のような差動空気板トリマは、リニア空気板トリマと異なり、従来のおよびセグメント化された固定子板および／または回転子板の組合せを有する、従来の差動空気板トリマでは、１８０゜円形セグメントまたは側面比２：１を有する四角形に類似している固定子板および回転子板のみが使用されており、それによってトリマが単に線形特性曲線だけを得る。それに対して有利な差動空気板トリマは、付加的に円形または四角形のセグメントから角度＜１８０゜で装着されている。この差動空気板トリマは、それによってマルチリニア特性曲線を得る。すなわち、この特性曲線は様々な勾配の部分直線から構成される。ｎ倍の線形依存性の表示のために、従来のトリマ板に付加的にｎ−１の数の様々にセグメント化された板が必要になる。それぞれのセグメントタイプの必要な板数は、それぞれ表示されるべき依存性に適合させなければならない。所望の依存性は、一般的に様々なセグメントタイプの数が多くなるほど、より正確に近似させることができる。従って、有利なマルチリニア差動空気板トリマの特性曲線は、非常に良く簡単な機能依存性に適合させることができる。好ましくは、セグメント化した回転子板にただ１つの固定子側が対置される。セグメント化した固定子板には、固定子側を対置する必要がない。固定子板および／または回転子板は、従来の１８０゜セグメントとして形成することができる。
【０００９】
容量性結合の場合、高周波振幅の変化を介して電圧降下がプラズマ縁層を介して、それによってプラズマ電位が地電位を基準にして変化させることができる。それによって、高周波振幅の変化を介して、イオンのエネルギーがプラズマ電位によって決定されるので、イオンのエネルギーを調節することができる。常法のトリマの代わりに前記マルチリニア差動空気板トリマが使用される場合、プラズマ電位の変化時に容量性結合の変化を介した共鳴回路の後からの整合が不要になる。イオンエネルギーは、それによって非常に簡単にただ１つのトリマによって調節することができる。連続的に調節可能のイオンエネルギーが不要になると、差動トリマを固定コンデンサに置き換えることができる。
【００１０】
１次回路および２次回路の共鳴周波数は、１次トリマならびに２次トリマを介して発生器周波数に整合させることができ、および／または１次コイルと２次コイルの間の誘導性結合の変化によって、特にコイルの間の軸線方向および半径方向の間隔の変化によって整合させることができる。トリマと並列に、付加的に固定コンデンサを接続することができる。理想的には、高い電圧振幅（電圧共鳴）が達成されるように１次回路が寸法決めされ、かつ高い電流振幅（電流共鳴）が達成されるように２次回路が寸法決めされる。
【００１１】
高周波空芯コイルとして、特に冷却可能の高周波空芯コイルが、ＣＣＲ ＧｍｂＨ成膜技術社の、出願番号第１０００８４８４．２号を有するドイツ特許出願「冷却可能の高周波空芯コイル」に記載されているように、金または白金金属、たとえば白金製の層を有する少なくとも前記高周波空芯コイルの外部の表面に具備している低電気抵抗を有する卑金属製の管の形態で使用される。この管は、任意の断面を有することができる。前記断面は、円形に決められているわけではなく、正方形または四角形に形成してもよい。冷却のために、高周波空芯コイルが流動性の媒体、好ましくは水で洗出される。このコイルは、ねじ状または螺旋状に巻き付けることができ、ならびに後者の場合では同時に球面状に湾曲させることができる。コイルの直径は、好ましくは１０ｍｍおよび１００ｍｍの間にある。
【００１２】
２次回路の中に電流共鳴の生成のために、この回路の全誘導性は可能な限り小さくするべきである。従って、２次コイルは最小限の巻線に、好ましくはただ１つの巻線に低減される。１次回路の中に電圧共鳴の生成のために、この回路の誘導性は、可能な限り大きくするべきである。従って、１次コイルは複数の好ましくは２〜１０巻線からなる。コイルの直径は、１０ｍｍおよび１００ｍｍの間にするべきである。
【００１３】
プラズマ励磁のための励磁電極は、真空の内部にも外部にも配列することができる。励磁電極が真空の中に配列されたときは、この励磁電極は真空電流フィードスルーを介した２次回路の大気側部分に接続することができる。また、全体的にトリマ、コイル、励磁電極ならびに接続要素からなる２次回路も真空中に配列することができ、２次トリマは機械的真空フィードスルーによって調節可能である。両方の結合コイルの間で、大気から真空の分離のための非磁気的および磁気的な透過性材料からなる誘電窓を利用することができる。このような窓は、プラスチックたとえばテフロン（登録商標）から、ガラスたとえば石英ガラスまたは窓ガラスから、ならびにセラミックまたはアルミナからなることができる。
【００１４】
本発明によるインピーダンス整合ネットワークは、全ての可能なかつ任意の励磁電極と組合せてプラズマ励磁に使用することができる。この励磁電極の形状、幾何学形状、材料、配列、数量などに関しては何ら制限がない。
【００１５】
一定に保持された高周波電力で可能な限り高い電流振幅を達成するために、さらに可能な限り小さいオーミック電力損失が発生するように整合ネットワークの全ての構成要素を形成しなければならない。常法により、整合ネットワークの個々のまたは全ての高周波導通構成要素、特に接続要素、軌条導体、高周波空芯コイル、コンデンサ、真空電流フィードスルーおよび励磁コイルは、低電気抵抗を有する金属からなる。経済的な理由から、常法により卑金属、たとえば銅、鉄、亜鉛、アルミニウムまたはそれらの合金、たとえば真鍮が選ばれる。
【００１６】
ただし、ここで目指している１ＭＨｚおよび５０ＭＨｚの間の周波数において電流はスキン効果に基づき単に導体の表面で数マイクロメートルの厚さを有する縁層を介して流れる。従来の、たとえば銅のような導体材料の場合、導体の表面が接触によって空気の酸素または窒素と反応し、導電性を導体の表面で著しく低減し、それによって高周波に対してオーミック損失を著しく増大する前記表面上に酸化層または窒化層が形成される。この表面の導電性が得られたままになることに配慮するべきである。これは、個々のまたは全ての高周波導通構成要素の成層によって少なくとも金または白金金属、たとえば白金製の層を有する前記構成要素の外部の表面で行うことができる。
【００１７】
貴金属、たとえば金または白金が卑金属上に、たとえば銅または真鍮上に塗布される場合、貴金属が担体材料の中へまたは担体材料が貴金属の中へ浸透拡散する危険性がある。これは結果的に、前記表面での導電性が卑金属の場合に挙げた理由から減少してしまう。この拡散過程は、拡散防止層、金または白金金属製の層の塗布前に卑金属上に塗布される、たとえばニッケル製の薄層によって阻止することができる。それによって、外部の金属層の長時間安定性が保証される。両方の層は、プラズマ化学的または電気的および好ましくは１０ｎｍから１０μｍまで、好ましくは１μｍの厚さの閉鎖層として塗布することができる。
【００１８】
この両方の層、すなわち拡散防止層と前記拡散防止層上に塗布された金または白金金属製の層は、同様にＣＣＲ ＧｍｂＨ成膜技術社の、出願番号第１０００８４８４．２号を有する「冷却可能の高周波空芯コイル」ならびに出願番号第１０００８４８３．４号を有する「高周波空気コンデンサ」の両方のドイツ特許出願に詳細に記載されている。
【００１９】
整合ネットワークの個々のまたは全ての高周波導通構成要素は、流動性の媒体、好ましくは水で冷却することができる。
【００２０】
準中性のプラズマビームまたはイオンビームの生成に使用できる本発明による整合ネットワークによって、特に純誘導性の励磁を最適化することができ、これが著しく高い励磁効率を生ぜしめる。さらに、それによって電子サイクロトロン波長共鳴またはランダウ減衰共鳴のような特殊の共鳴励磁の利用が可能になる。
【００２１】
本発明による高周波整合ネットワークは、たとえばＣＣＲ ＧｍｂＨ成膜技術社の、出願番号第１０００８４８２．６号を有するドイツ特許出願「高周波プラズマ源」に記載されているような高周波プラズマ源または高周波イオン源に使用することができる。
【００２２】
以下、本発明を例として図面を利用して具体的に示す。
図１はインピーダンス整合ネットワークの可能な回路形成である。
図２はインピーダンス整合ネットワークの一変形である。
図３は真空の中へ電気的交番磁界の伝達のためのシステムである。
図４はインピーダンス整合ネットワークのもう１つの変形である。
図５は高周波導通構成要素の層構造である。
図６はセグメント化した固定子板または回転子板である。
図７は２倍の線形差動トリマの概略的構造である。
図８は線形特性曲線と２倍の線形特性曲線の比較である。
図９は螺旋状に巻き付けた高周波空芯コイルである。
図１０は螺旋状に巻き付けて、かつ球面状に湾曲した高周波空芯コイルである。
【００２３】
図１の整合ネットワークの回路は、２つの結合した振動回路と、１次回路（１）と、２次回路（２）とからなる。高周波発生器（１１）の電力は、１次回路（１）の中に供給される。２次回路（２）の中には、プラズマの生成のための真空中にある励磁電極（３）がある。この場合、励磁電極（３）が２つの真空電流フィードスルー（１２）を介して２次回路（２）と接続される。両方の回路（１、２）の結合は、２つの高周波空芯コイル（９、６）からなる伝達器を用いて誘導的に、また差動トリマ（１０）を用いて容量的に行われる。１次回路（１）は１次コイル（９）と、コンデンサ（７）と、可変コンデンサ（１次トリマ）（８）とからなる。コンデンサ（７）は、高周波発生器の出力と並列であり、常法により高周波発生器（１１）の１極が地電位に接続されている。同様に高周波発生器（１１）の出力と並列に、１次トリマ（８）と１次コイル（９）とからなる直列回路があり、前記１次トリマ（８）が高周波発生器（１１）の地極と接続されている。２次回路は、２次コイル（６）の直列回路と、可変コンデンサ（２次トリマ）（５）と、励磁電極（３）とからなる。この場合、差動トリマの中央極が１次コイル（９）と１次トリマ（８）との間に接続されている。差動トリマ（１０）の側極が地電位に印加され、もしくは励磁電極（３）の中央極に接続されている。必要がある場合には、付加的に全トリマと並列に固定コンデンサを接続することもできる。
【００２４】
図２は、全２次回路（２）が真空中に配列された図１に図示した整合ネットワークの一変形である。真空と大気との間の分離は、両方の誘導性フラックスを介して結合された１次回路もしくは２次回路（１、２）の空芯コイル（６、９）の間で行われる。真空と大気の分離のために、誘電窓（１３）が使用され（図３）、この誘電窓が両方の結合コイル（６、９）の誘導性フラックスを遮断しない。窓（１３）とプラズマ容器（１４）の後壁との間に、真空ガスケット（１５）が配列されている。トリマ（５）による２次回路の調整は、ここで機械的な真空フィードスルー（１６）によって行われる。
【００２５】
図４は、２次トリマ（５）が固定コンデンサ（１７）に置き換えられており、振動回路の調整が１次トリマ（８）ならびに１次コイル（９）と２次コイル（６）との間の誘導性結合の変化によって行われる整合ネットワークの継続開発された一変形である。そのために、大気側の整合ネットワークの構成要素が移動可能に支承されることによって、１次コイル（９）と２次コイル（６）との間の軸線方向および半径方向の間隔が変化される。可動に支承されかつ確実に固定された１次回路の構成要素の間の接続は、その場合に可撓性の軌条導体または高周波ケーブルを介して行われる。
【００２６】
図５は、整合ネットワークの高周波導通構成要素の層構造である。構成要素（２６）の基材は、閉鎖された拡散防止層として利用されるニッケル層（２５）を具備している。この層上に、金（２４）製の層が塗布される。
【００２７】
図６は、マルチリニア特性曲線を有する差動空気板トリマのセグメント化したトリマ板の選択である。図示した１３５゜セグメント（１８、１９）、９０゜セグメント（２０、２１）および４５゜セグメント（２２、２３）は、マルチリニア依存性の達成のために従来のトリマ板に付加的に必要になる。
【００２８】
図７は、マルチリニア差動空気板トリマの例としての２倍の線形差動トリマである。この差動トリマは、回転子が配置されている回転可能の軸（２８）からなる。この回転子は、５個の従来の１８０゜円形セグメント（２７）ならびに１０個の９０゜セグメント（２０）から構成されている。固定子側Ｃ１は、固定子支持体（２９）上に取り付けられている５個の従来の固定子板からなる。固定子側Ｃ２は、第２の固定子支持体（３０）上に取り付けられている１５個の従来の固定子板からなる。９０゜回転子セグメント（２０）は、この回転子セグメントが固定子側Ｃ２の固定子板のみを塗布するように配列されている。類似の方法で、トリマのマルチリニア特性曲線を得るために、固定子板を部分セグメントとして形成することもできる。
【００２９】
図８に、２倍の線形差動空気板トリマの特性曲線、すなわち固定子側Ｃ２に依存する固定子側Ｃ１を示している。特性曲線は、異なる勾配の２つの部分直線から構成される。この２倍の線形差動トリマによって、従来の線形特性曲線に比べて、増大した精度を有する図示した非線形依存性に近似させることができる。
【００３０】
図９および図１０は、本発明による高周波空芯コイルの可能な構造形状である。これらは、好ましくは螺旋状（図９）に巻き付けられた金属管からなる。螺旋状に巻き付けられたコイルは、付加的に球面状に湾曲させることもできる（図１０）。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インピーダンス整合ネットワークの可能な回路形成である。
【図２】 インピーダンス整合ネットワークの一変形である。
【図３】 真空の中へ電気的交番磁界の伝達のためのシステムである。
【図４】 インピーダンス整合ネットワークのもう１つの変形である。
【図５】 高周波導通構成要素の層構造である。
【図６】 セグメント化した固定子板または回転子板である。
【図７】 ２倍の線形差動トリマの概略的構造である。
【図８】 線形特性曲線と２倍の線形特性曲線の比較である。
【図９】 螺旋状に巻き付けた高周波空芯コイルである。
【図１０】 螺旋状に巻き付けて、かつ球面状に湾曲した高周波空芯コイルである。
【符号の説明】
１ インピーダンス整合ネットワークの１次回路
２ インピーダンス整合ネットワークの２次回路
３ 励磁電極
４ プラズマ
５ 可変コンデンサ（トリマ）
６ 高周波空芯コイル
７ コンデンサ
８ 可変コンデンサ（トリマ）
９ 高周波空芯コイル
１０ 差動トリマ
１１ 高周波発生器
１２ 真空電流フィードスルー
１３ 誘電窓
１４ プラズマ容器の後壁
１５ 真空ガスケット
１６ 機械的真空フィードスルー
１７ 固定コンデンサ
１８ セグメント化したトリマ板（１３５゜円形セグメント）
１９ セグメント化したトリマ板（１３５゜四角形セグメント）
２０ セグメント化したトリマ板（９０゜円形セグメント）
２１ セグメント化したトリマ板（９０゜四角形セグメント）
２２ セグメント化したトリマ板（４５゜円形セグメント）
２３ セグメント化したトリマ板（４５゜四角形セグメント）
２４ 金製の層
２５ ニッケル製の拡散防止層
２６ 高周波導通構成要素の基材
２７ 在来型の回転子板（１８０゜円形セグメント）
２８ 回転可能の軸
２９ 固定子支持体
３０ 固定子支持体

Claims (5)

1. 高周波整合ネットワークであって、
   − コンデンサ（７）および可変コンデンサ（８）および高周波空芯コイル（９）を有する１次回路（１）と、
   − コンデンサ（５、１７）、高周波空芯コイル（６）および少なくとも１つの励磁電極（３）を有する２次回路（２）とからなり、前記１次回路（１）および前記２次回路（２）が高周波空芯コイル（６、９）により誘導的に互いに結合されているものにおいて、
   １次回路（１）に接続されかつ２次回路（２）の励磁電極（３）に接続された可変コンデンサ（１０）により、１次回路（１）と２次回路（２）とが付加的に容量的に結合されていることを特徴とする高周波整合ネットワーク。
2. ２次回路（２）のコンデンサ（５、１７）を調節することにより、容量性および誘導性のプラズマ結合の間で連続的に選択することができることを特徴とする、請求項１記載の高周波整合ネットワーク。
3. 容量性の結合が差動トリマの形態の可変コンデンサ（１０）によって行われること、および前記差動トリマが、マルチリニア特性曲線の生成のためにセグメント化された固定子板および／または回転子板の組合せを有することを特徴とする、請求項１または２記載の高周波整合ネットワーク。
4. １次回路（１）および２次回路（２）の共鳴周波数が１次トリマの形態の可変コンデンサ（８）ならびに２次トリマの形態のコンデンサ（５）を介して発生器周波数に整合できることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項記載の高周波整合ネットワーク。
5. 両方の結合高周波空芯コイル（６、９）の間に誘電窓（１３）が配列されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項記載の高周波整合ネットワーク。

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