JP6292484B2 - プラズマ発生器(実施諸形態) - Google Patents
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Description
・ 処理室の最小可能寸法が制限されているために、装置適用分野が限られる。 たとえば、処理室が円筒であり、コイルがその中心線に位置していて、発生プラズマに求められる濃度が1012cm−3である場合、処理室の最小直径は、コイル直径より180mmだけ大きくなる。
・ 処理室のしかるべき箇所でプラズマを発生させるための高周波電流エネルギーの利用効率が低い。これは、生産工程で使用されるプラズマを発生させることが必要とされる場所ばかりでなく、安定した作業条件の維持を困難にし、プラズマの作用を必要としない表面にまで望ましくない作用を及ぼす寄生放電を引き起こす場所においても、処理室空間内に高周波磁界が浸透することによるものである。
・ 高周波磁界が、必要とされるよりも大きな空間を満たすので、性能信頼性が低い。既知の装置には著しい寄生インダクタンスが見られ、このことのよってコイル電圧が過度に上昇し、その結果、誘電体を腐食させることにもなる。
既知の装置の欠点は、効率及び性能信頼性が低いことであるが、これは、プラズマに比べ、シールドの位置がコイルに近いため、コイルに流れる電流が大きくなり、シールドにおける抵抗損が著しく増大することによるものである。また、これは、コイルとシールドとの間の誘導結合が強いため、装置に電源を入れたときに、処理室内のガス媒質の絶縁破壊に対して十分なコイル電圧値を保障するために出力を上げることが必要となることにもよる。
・ 装置効率の向上
・ ノイズレベルの低減
・ 装置耐用年数の長期化
・ 装置の性能信頼性の向上
・ 発生プラズマ密度の高度化
・ プラズマ媒質純度の向上
・ 外形寸法の縮小
内面が円筒形に近い形状を呈する導電シールド内部に螺旋コイルが装備され、コイル巻線間ならびにコイルとシールドとの間の空間は誘電体で満たされている、第1実施形態のプラズマ発生器においては、当該技術課題は、本発明に従い、コイルをパンケーキ型に製作し、コイル平面から誘電体外面までの距離がコイルの厚さの2倍未満であるのに対して、コイル平面からシールド内底面までの距離は、コイル平面から誘電体外面までの距離の2倍を超えるようにすることによって解決される。
・ コイルに高周波電流を供給するために、プラズマ発生器には同軸導線が装備され、その内部導体はコイルの一端に接続し、外部導体はコイルの他端に接続している。
・ 同軸導線は、それを貫通して冷却液もしくは冷却ガスを供給できる仕様になっている。
・ コイル導体は中空構造を呈し、内部を貫通して冷却液もしくは冷却ガスが供給できる仕様になっている。
内面が円筒形に近い形状を呈する導電シールド内部に螺旋コイルが装備され、コイル巻線間ならびにコイルとシールドとの間の空間は誘電体で満たされている、第3実施形態のプラズマ発生器においては、当該技術課題は、本発明に従い、シールドをコイルの一端と電気的に接続し、誘電体の誘電率を2.5から50の範囲内に設定することによって解決される。
・ コイルを装置作用面から分離する誘電体が、プラズマ耐性素材で作られている。
・ 誘電体の外面が、プラズマ耐性素材で作られた、少なくとも一つの誘電シールで覆われており、コイル平面から誘電シールドの外面までの距離がコイルの厚みの2倍未満である。
・ シールドと誘電体外面の間に隙間がある。
・ 誘電体外面は、少なくとも二つの誘電シールドで覆われ、少なくともそれらの一つは、プラズマ耐性素材で作られており、シールド間には隙間がある。
・ 誘電体による充填が、コイルをシールド内底面から分離する誘電円筒、コイル巻線間の空間を満たす誘電充填材及びコイルを装置作用面から分離する誘電板によって構成されている。
・ 誘電板がプラズマ耐性素材で作られている。
・ 誘電板とコイル間及び誘電板と誘電充填材との間には隙間がある。
・ 誘電体外面が、プラズマ耐性を持つ素材で作られた、少なくとも一つのシールドで覆われており、コイル平面から誘電シールドの外面までの距離が、コイルの厚さの2倍未満である。
・ シールドと誘電体外面の間には、隙間がある。
本発明による重要な特徴の全体を実現することによって達成される技術的な成果は以下のとおりである:
1. 処理空間(処理室)内のプラズマ発生箇所における高周波電磁界の局部化及び装置のその他の箇所における高周波電磁界の微弱化。これによって、以下のことが可能となる:
・ 装置周辺における寄生放電の発生防止よる効率向上
・ 装置構成部分へのプラズマ作用の低減による耐用年数の長期化
・ 処理室の壁及び処理室内の付属設備部品へのプラズマ作用の削減、ならびにプラズマ化学反応及び装置素材のイオン・スパッタ作用の産物によるプロセス媒体汚染の低減によるプラズマ媒質の純度向上
高周波磁界の局部化は、高周波磁界を通さない導電シールドの使用によって可能となる。シールドにフーコー電流が流れることによる損失を削減するためには、シールドの製作に比抵抗が低い素材、例えば、銅合金またはアルミ合金製の素材が用いられなければならない。
2. 処理空間のガス媒質の絶縁破壊を軽減する、コイルとプラズマ間の誘導係数の増加及び誘電体外面と諸巻線との間のキャパシタンスの増加、ならびに処理媒体の広範囲なパラメーターにおける装置の性能信頼性を向上させる放電点弧の信頼性。 プラズマとコイル間の誘導係数の増加及び誘電体外面と諸巻線との間のキャパシタンスの減少は、諸巻線から処理空間までの距離の減少によって可能となる。これは、コイルをパンケーキ型に製作すること及び誘電体表面からの距離の2倍以下の位置にそれを配置することによって可能となる。
3.コイルと導電シールド間の誘導係数及びプラズマ発生器の送電網の誘導係数の減少。これは、電磁誘導によって発生するものも含め、構造物部品内を流れる電流が拡散する熱出力の低減によって、装置のノイズレベルの低減と効率の向上を可能にする。
2 − 導電シールド
3 − 誘電間隔材
3A − 誘電円筒(図7)
3B − 誘電充填材(図7)
4 − 同軸導線の外部導体
5 − 同軸導線の内部導体
6 − プラズマ耐性誘電板
7 − 誘電シールド
А − コイル平面から誘電体までの距離
В − コイルの厚さ
С − コイル平面からシールド内底面までの距離
以下で用いられる用語は次のように解釈される:
高周波:0.5〜100 MHzの範囲内の周波数。
高周波プラズマ:1011cm−3以上の電子密度をもつプラズマ。
コイル:一重または多重の螺旋形態の導体。多重螺旋とは、共通の中心線の周囲をお互いに回転するような形で配置された、同一形態の少なくとも二つの螺旋導体である。本既述の枠内では、リングは一重単巻コイルとみなされる。
同軸導線:中空導体の装置であって、その中空内部には、内部導体が少なくとも一つは配置されているもの。
パンケーキコイル:高さが、巻線間隔及び巻線横断面の最大線形寸法のうちのより大きい値の2倍以下であって、円筒に内接させることのできるコイル。
コイル平面: 円筒の上下底面から等距離にある平面。
パンケーキコイルの厚さとは、円筒の高さとして理解される。
プラズマ発生器(図1)は、内面が円筒形に近い形状を呈する導電シールド(2)の内部に配置された螺旋コイル(1)を内包する。コイル巻線間の空間及びコイル(1)とシールド(2)との間の空間は、誘電体(3)で満たされている。とくに、コイル巻線間には誘電充填材が詰め込まれている。
プラズマ発生器のコイル(1)に高周波電流を供給するために、同軸導線(図2)を装備することもできる。この同軸導線の外部導体(4)は、コイルの一端に接続しており、内部導体(5)はコイルの他端に接続している。同軸導線は、それを貫通して冷却液もしくは冷却ガスをコイルに供給できるように製作することもできる。コイル導体は、それらを貫通して冷却液または冷却ガスを供給できるように中空の構造をもつかたちで製作される。
同軸導線の使用によって、プラズマ発生器の送電網の誘導係数の低減、供給電圧の削減、ノイズレベルの低下が可能となる。
誘電体外面は、プラズマ耐性素材で作られた、少なくとも一つの誘電シールド(7)によって覆うこともでき、その際、コイル平面から誘電シールド(7)までの距離はコイル(7)(図5)の厚みの2倍未満とする。
Claims (33)
- 内面が円筒形状を有する導電シールド(2)と;
前記導電シールド(2)に内包される螺旋コイルと;及び
前記螺旋コイルの巻線間および前記螺旋コイルと前記導電シールド(2)との間の空間を満たす誘電体と;
から構成される、パンケーキ型に作られたプラズマ発生器であって、
前記螺旋コイル平面から前記誘電体外面までの距離(A)が前記螺旋コイルの厚さ(B)の2倍未満であり、前記螺旋コイル平面から導電シールド(2)内底面までの距離(C)が、前記螺旋コイル平面から前記誘電体外面までの距離(A)の2倍を超えることを特徴とする、プラズマ発生器。 - 前記コイルに高周波電流を供給するために、プラズマ発生器に同軸導線が装備され、その同軸導線の内部導体が前記コイルの一端に接続し、外部導体が前記コイルの他端に接続している、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記同軸導線が、それを貫通して冷却液もしくは冷却ガスを前記コイルに供給できるように作られていることを特徴とする、請求項2に記載のプラズマ発生器。
- 前記コイル導体が、それを貫通して冷却液またはガスを供給できるような中空構造をもつように作られていることを特徴とする、請求項2に記載のプラズマ発生器。
- 前記コイルを装置作用面から分離する誘電体が、プラズマ耐性素材で作られていることを特徴とする、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体外面が、プラズマ耐性素材で作られた、少なくとも一つの誘電シールドで覆われており、前記コイル平面から前記誘電シールド外面までの距離が前記コイルの厚さの2倍未満であることを特徴とする、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電シールドと前記誘電体外面との間に隙間があることを特徴とする、請求項6に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体外面が、少なくとも二つの誘電シールドで覆われ、そのうちの少なくとも一つがプラズマ耐性素材で作らており、前記少なくとも二つの誘電シールド間には隙間があることを特徴とする、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体による充填が、前記コイルを前記導電シールド内底面から分離する誘電円筒、コイルの諸巻線間の空間を充填する誘電充填材、及び前記コイルを装置作用面から分離する誘電板から構成されていることを特徴とする、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電板が、プラズマ媒質の作用に耐性を持つ素材から作られていることを特徴とする、請求項9に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電板と前記コイル間、及び前記誘電板と前記誘電充填材との間に隙間があることを特徴とする、請求項10に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体外面が、プラズマ耐性素材で作られた少なくとも一つの誘電シールドで覆われており、前記コイル平面から前記誘電シールドの外面までの距離が前記コイルの厚さの2倍未満であることを特徴とする、請求項9〜11のうちいずれか一項に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電シールドと前記誘電体外面との間に隙間があることを特徴とする、請求項12に記載のプラズマ発生器。
- 螺旋コイルがパンケーキ型に作られ、導電シールドがリング状に作られ、そのリング中心線は前記螺旋コイル平面に垂直であり、プラズマ発生空間側の前記リングの縁は誘電体で覆われていることを特徴とする、内面が円筒形状をもつ前記導電シールドの中に収められた前記螺旋コイルを内包しており、前記螺旋コイル諸巻線間の空間及び前記螺旋コイルと前記導電シールド間の空間が前記誘電体で満たされているプラズマ発生器。
- 前記コイルを装置作用面から分離する誘電体が、プラズマ耐性素材で作られていることを特徴とする、請求項14に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体外面がプラズマ耐性素材で作られた、少なくとも一つの誘電シールドで覆われており、前記コイル平面から前記誘電シールド外面までの距離が前記コイルの厚さの2倍未満であることを特徴とする、請求項14に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電シールドと前記誘電体外面との間に隙間があることを特徴とする、請求項16に従うプラズマ発生器。
- 前記誘電体外面が、少なくとも二つの誘電シールドで覆われ、それらの誘電シールドの少なくとも一つはプラズマ耐性素材で作られており、前記誘電シールド間には隙間があることを特徴とする、請求項14に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体による充填が、前記コイルを前記導電シールド内底面から分離する誘電円筒、コイル諸巻線間の空間を充填する誘電充填材及び前記コイルを装置作用面から分離する前記誘電板から構成されていることを特徴とする、請求項14に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電板が、プラズマ媒質の作用に対する耐性を持つ素材から作られていることを特徴とする、請求項19に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電板と前記コイルとの間、及び前記誘電板と前記誘電充填材との間に隙間があることを特徴とする、請求項20に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体外面が、プラズマ耐性素材で作られた、少なくとも一つの誘電シールドで覆われており、前記コイル平面から前記誘電シールド外面までの距離が前記コイルの厚みの2倍未満であることを特徴とする、請求項19〜21のうちいずれか一項に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電シールドと前記誘電体外面との間に隙間があることを特徴とする、請求項22に記載のプラズマ発生器。
- 導電シールドが螺旋コイルの一端と電気的に接続しており、誘電体の誘電率が2.5から50までの範囲にあることを特徴とする、内面が円筒形状をもつ前記導電シールドの中に収められた前記螺旋コイルを内包しており、前記螺旋コイル諸巻線間の空間及び前記螺旋コイルと前記導電シールド間の空間が前記誘電体で満たされているプラズマ発生器。
- 前記コイルを装置作用面から分離する誘電体が、プラズマ耐性素材で作れていることを特徴とする、請求項24に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体外面が、プラズマ耐性素材で作られた、少なくとも一つの誘電シールドで覆われており、前記コイル平面から前記誘電シールド外面までの距離が、前記コイルの厚さの2倍未満であることを特徴とする、請求項24に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電シールドと前記誘電体外面との間に隙間があることを特徴とする、請求項26に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体外面が、少なくとも二つの誘電シールドで覆われ、それらの前記誘電シールドの少なくとも一つはプラズマ耐性素材で作られており、前記誘電シールド間には隙間があることを特徴とする、請求項24に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体による充填が、前記コイルを前記導電シールド内底面から分離する誘電円筒、前記コイル諸巻線間の空間を充填する誘電充填材、及び前記コイルを装置作用面から分離する誘電板から構成されていることを特徴とする、請求項24に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電板がプラズマ媒質の作用に耐性を持つ素材から作られていることを特徴とする、請求項29に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電板と前記コイルとの間及び前記誘電板と前記誘電充填材との間に隙間があることを特徴とする、請求項30に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体外面が、プラズマ耐性素材で作られた、少なくとも一つの誘電シールドで覆われており、前記コイル平面から前記誘電シールド外面までの距離が、前記コイルの厚さの2倍未満であることを特徴とする、請求項29〜31のうちいずれか一項に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電シールドと前記誘電体外面との間に隙間があることを特徴とする、請求項32に記載のプラズマ発生器。
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