JP5713354B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents
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Description
図5は、特許文献1に提案されているプラズマ発生装置100を示す概略図である。
該プラズマ発生装置では、真空チャンバー101内に、複数本のアンテナ105が設けられている。各々のアンテナ105は、矩形状(又はコの字状あるいはU字状)であって、真空チャンバー101の内部を周回せず終端し、短い線状又は板状の導体からなる小型のループアンテナから構成されている。複数本のアンテナ105は複数のグループに分けられ、グループの各々に対応する高周波電源107が設けられている。各グループに属する複数のアンテナ105の各々には、そのグループに対応して設けられた高周波電源107からインピーダンス整合器106を介して高周波電力が並列に供給される。
図6は、特許文献2に提案されているプラズマ発生装置200を示す概略図である。
該プラズマ発生装置では、真空容器201の内壁面に沿ってコの字形または円弧形の形状をなすアンテナ210が配置され、アンテナ210の電源側端子の全てが整合器211を介して電源側に並列に接続され、接地側端子の全てがブロッキングコンデンサ207を介して対地に終端されている。
マイクロストリップラインは、そのグラウンドを真空チャンバーの内壁としている。また、マイクロストリップラインは、高周波電源と電極との間におけるインピーダンスを整合するためのインピーダンス整合部と電極入力端との間に接続されるインピーダンス整合用のリアクタンス整合部を備えている。
図7は、特許文献4に提案されているCVD装置300を示す概略図である。このCVD装置はプラズマ生成装置の一形態である
該CVD装置300は、発生させるプラズマが均一となるようにインピーダンス整合を高精度に、さらに迅速かつ容易に行うことが可能になっている。
反応容器301内に設けられたモノポールである複数のアンテナ素子302はアレイアンテナを形成しており、アンテナ素子302の高周波電流供給端の側にインピーダンス整合器303が接続されている。
アンテナ素子302から放射される電磁波は、隣接するアンテナ素子302間で電磁波が相互に影響を及ぼし合うことなく、アンテナ素子毎に所定の電磁波を形成する。
前記プラズマ発生室内に非接地で互いに間隔を有して並んで配置され、半固定抵抗素子を介して電力供給側に対する遠端端末で並列接続によって終点結合されて両者間への電力供給によってプラズマが発生する対の線状アンテナと、
前記対の線状アンテナに接続され、前記線状アンテナに高周波電力供給する非接地式配線と、を有しており、
前記非接地式配線に設けられ、電源側のインピーダンスと前記線状アンテナ側のインピーダンスとを整合させる供給側可変インピーダンス整合器と、前記線状アンテナの終端側に設けられ、前記線状アンテナ側のインピーダンスと前記終端結合側のインピーダンスとを整合させる終端側可変インピーダンス整合器と、前記非接地式配線に接続され、該非接地式配線における進行波電力および反射波電力に関する情報信号を取り出し可能な供給側方向性結合器と、
前記線状アンテナの終端側に接続され、前記線状アンテナの終端側の進行波電力および反射波電力に関する情報信号を取り出し可能な終端側方向性結合器と、
前記供給側方向性結合器から取り出された前記進行波電力および前記反射波電力に関する情報信号に基づき、前記供給側方向性結合器の反射波電力が最小となるように、前記供給側可変インピーダンス整合器を調整し、かつ前記終端側方向性結合器から取り出された前記進行波電力および前記反射波電力に関する情報信号に基づき、前記終端側方向性結合器の反射波電力が最小となるように、前記終端側可変インピーダンス整合器のインピーダンス整合を調整する制御部と、を備えることを特徴とする。ここで言う非接地式配線とは、一般的には平衡回路における配線方式と同等である。
第2の本発明のプラズマ発生装置は、前記第1の本発明において、前記制御部は、さらに進行波電力が所定値を超えないように前記供給側可変インピーダンス整合器および前記終端側可変インピーダンス整合器のインピーダンス整合をそれぞれ調整することを特徴とする。
すなわち、対の線状アンテナに供給される高周波電力によって対の線状アンテナの周囲に放射電界が発生する。非接地式でアンテナに高周波電力が供給されると、周波数に応じて時間的にアンテナを流れる電流が反転し、該アンテナ周辺でプラズマが持続的に発生する。進行波が対の線状アンテナを伝搬するため、上記放射電界は対の線状アンテナの周囲に一様に分布し、したがって、発生するプラズマ密度も一様となる。
なお、対の線状アンテナが、線径と、対となる線状アンテナ同士の間隔との比が、長さ方向で一定となるように、前記線径および間隔を設定するのが望ましい。これにより、線状アンテナの長さ方向においてプラズマの発生をより均等にすることができる。なお、線径や線状アンテナ間の間隔は、線状アンテナの長さ方向に変化するものであってもよい。この場合、上記比を一定に維持することで、プラズマ発生の均一性を良好に維持できる。
供給側可変インピーダンス整合器により電源側のインピーダンスと線状アンテナ側のインピーダンスとを整合し、さらに、終端側インピーダンス可変整合器で線状アンテナ側のインピーダンスと終端結合側のインピーダンスとを整合させることができる。
インピーダンスの整合により、対の線状アンテナにおいて進行波が効率的に伝送されるとともに反射波の発生が極力小さくなり、線状アンテナで効率的にプラズマを発生させることができる。各インピーダンスの整合では、プラズマ発生に伴って線状アンテナでのインピーダンスが変化するため、供給側可変インピーダンス整合器および終端側可変インピーダンス整合器を制御部によってこれらを制御しつつ、それぞれのインピーダンス整合をプラズマ放電時に動的に行うのが望ましい。
図1および図2に示すように、本実施形態のプラズマ発生装置1は、プラズマ発生室2と、該プラズマ発生室2内に配置された対の線状アンテナ3a、3bとを有している。
線状アンテナ3a、3bは、長尺な細棒状(例えば断面径5mm〜25mm)の導電体からなり、上下に一定間隔をおいてプラズマ発生室2の横断面に亘って折り返されながらプラズマ発生室2内の空間上部側に配設されている。線状アンテナ3a、3bの配置は、できるだけプラズマ発生室2内の全体に亘るのが望ましい。
この実施形態では、線状アンテナ3a、3bの径は一定とされ、かつ両者間の間隔が一定(例えば間隔15mm〜75mm)とされており、径と間隔の比は一定になっている。なお、本発明としては、線状アンテナ3a、3bの径と、両者間の間隔の比を一定に保つことにより、線状アンテナ3a、3bの径と両者間の間隔が線状アンテナ3a、3bの長手方向で変化する場合にも良好な一様なプラズマ発生が得られる。また、線状アンテナ3a、3bは、上下の他、左右または斜め方向に間隔を有するように配置するものであってもよく、また、両者の位置関係が長手方向で変化するものであってもよい。
対の線状アンテナ3a、3bは、絶縁体支持材などによりプラズマ発生室2内に支持固定することができる。
非接地式配線10a、10bの他端には高周波電源部11が接続されており、高周波電源部11から真空用導入端子6に至る非接地式配線10a、10bには、供給側方向性結合器12および供給側可変インピーダンス整合器13がこの順で介設されている。
制御部30は、供給側可変インピーダンス整合器13および終端側可変インピーダンス整合器22のインピーダンス整合を調整するものである。具体的には、供給側可変インピーダンス整合器13では、可変容量コンデンサ13a、13bの容量調整によってインピーダンス整合を調整する。終端側可変インピーダンス整合器22では、可変容量コンデンサ13a、13bの容量調整によってインピーダンス整合を調整する。
まず、排気系によりプラズマ発生室2内を排気して減圧し、プラズマ発生室2内を所定の真空度の真空状態とする。排気系では、以後、プラズマ発生室2内が所定の真空度に維持されるように排気を継続する。その後、プラズマ発生室2内には、プラズマ化する気体を給気系から供給する。
プラズマ発生装置1によって薄膜を成膜する場合、例えばG8以上の基板のような大面積の基板が成膜対象であっても、該基板の全面に亘って均一な膜厚分布で薄膜を成膜することができる。また、プラズマを用いてエッチングなどの表面処理を施す場合、同じく大面積の基板が処理対象であっても、該基板の全面に亘って均一に表面処理を施すことができる。
なお、シミュレーションの条件は、アンテナ401の3本分に合計600Wの高周波電力を投入することと等価な電流を、アンテナ401の3本に並列に流すことにより生じる3次元電磁界分布を解析するパラメータとする。
3本のアンテナ401に600Wの高周波電力を供給した場合に生じる電界強度分布では、図9に示すように、アンテナ401の電力供給端と天板402との間に最も高い電界が発生し、該電界の大きさは最大16,000V/mに達している。しかし、プラズマ発生室400内部側のアンテナ401近傍における電界は、最大4,000V/m程度であり、他方端に沿って電界強度が低下している。このように、図8に示す従来のプラズマ発生装置400の場合、電界強度が各アンテナ401の部位によって顕著に不均一になっており、一様にはなっていない。
対の線状アンテナ3a、3bに600Wの高周波電力を供給した場合に生じる電界強度分布では、図3に示すように、対の線状アンテナ間に強い電界が生じ、放射状に電界が分布している。
電界は、対の線状の長手方向間を中心として分布しており、中心位置で13,500V/m程度となっており、この値は、プラズマ生成の多くの場合とって十分な値である。また、線状アンテナ3a、3bの長尺方向では、図4に示すように同様の電界強度分布を有しており、長尺方向で一様なプラズマ発生が得られている。
2 プラズマ発生室
3a 線状アンテナ
3b 線状アンテナ
10a 非接地式配線
10b 非接地式配線
11 高周波電源部
11a 高周波電源
11b 電源出力インピーダンス等価抵抗
12 供給側方向性結合器
13 供給側可変インピーダンス整合器
13a インダクタ
13b インダクタ
13c 可変容量コンデンサ
13d 可変容量コンデンサ
20a 終端側配線
20b 終端側配線
21 終端側方向性結合器
22 終端側可変インピーダンス整合器
22a インダクタ
22b インダクタ
22c 可変容量コンデンサ
22d 可変容量コンデンサ
23 半固定抵抗素子
30 制御部
Claims (6)
- 室内でプラズマを発生させるプラズマ発生室と、
前記プラズマ発生室内に非接地で互いに間隔を有して並んで配置され、半固定抵抗素子を介して電力供給側に対する遠端端末で並列接続によって終点結合されて両者間への電力供給によってプラズマが発生する対の線状アンテナと、
前記対の線状アンテナに接続され、前記線状アンテナに高周波電力供給する非接地式配線と、を有しており、
前記非接地式配線に設けられ、電源側のインピーダンスと前記線状アンテナ側のインピーダンスとを整合させる供給側可変インピーダンス整合器と、前記線状アンテナの終端側に設けられ、前記線状アンテナ側のインピーダンスと前記終端結合側のインピーダンスとを整合させる終端側可変インピーダンス整合器と、
前記非接地式配線に接続され、該非接地式配線における進行波電力および反射波電力に関する情報信号を取り出し可能な供給側方向性結合器と、前記線状アンテナの終端側に接続され、前記線状アンテナの終端側の進行波電力および反射波電力に関する情報信号を取り出し可能な終端側方向性結合器と、
前記供給側方向性結合器から取り出された前記進行波電力および前記反射波電力に関する情報信号に基づき、前記供給側方向性結合器の反射波電力が最小となるように、前記供給側可変インピーダンス整合器を調整し、かつ前記終端側方向性結合器から取り出された前記進行波電力および前記反射波電力に関する情報信号に基づき、前記終端側方向性結合器の反射波電力が最小となるように、前記終端側可変インピーダンス整合器のインピーダンス整合を調整する制御部と、を備えることを特徴とするプラズマ発生装置。 - 前記制御部は、進行波電力が所定値を超えないように前記供給側可変インピーダンス整合器および前記終端側可変インピーダンス整合器のインピーダンス整合をそれぞれ調整することを特徴とする請求項1記載のプラズマ発生装置。
- 前記対の線状アンテナは、前記プラズマ発生室の室内横断面に亘って折り返されつつ配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマ発生装置。
- 前記対の線状アンテナは、少なくとも真っ直ぐに伸長する領域では、平行に並んで配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
- 前記対の線状アンテナは、線径と、対となる線状アンテナ同士の間隔との比が、長さ方向で一定となるように、前記線径および間隔が設定されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
- 前記対の線状アンテナは、対の棒または対の板形状を有し、長手方向に一定の特性インピーダンスとすることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
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