JP6680271B2 - プラズマ源 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ源に関する。
プラズマ生成室と、プラズマ生成室に気体を導入するための気体導入部と、プラズマ生成室の内部に配置されたアンテナと、プラズマ生成室におけるイオンまたはラジカルをプラズマ生成室外へ放射するための開口部近傍に配置された引出電極と、を備えるイオンラジカル源が提案されている（例えば特許文献１参照）。ここで、アンテナは、その基端部がプラズマ生成室内における開口部に対向する内壁に固定され、その先端部が開口部に向かって突出している。
ところで、特許文献１に記載された構成のイオンラジカル源では、プラズマ生成室内におけるアンテナの基端部近傍に生成されるプラズマの密度が比較的高くなる。一方、プラズマ生成室内において開口部からの距離が長い位置に生成されるイオンまたは電子ほど、引出電極により開口部からプラズマ生成室外へ引き出す際の引出効率が低下する。従って、プラズマ生成室内におけるプラズマの密度が、開口部からの距離が比較的長いアンテナの基端部近傍が高くなる分布を示すと、その分、イオンまたは電子のプラズマ生成室外への引出効率が低下してしまう。
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、イオンまたは電子の引出効率が高いプラズマ源を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るプラズマ源は、
箱状であり、内側で生成されたイオンまたは電子を外へ放射するための開口部を有するチャンバと、
前記チャンバの周壁を貫通する供給路を通じて前記チャンバ内へ気体を導入する気体導入部と、
前記周壁における前記開口部に対向する位置に設けられたコネクタと、
基端部が前記コネクタに接続され、前記チャンバ内において前記開口部に向かって延在するアンテナと、
前記アンテナにおける前記チャンバ内に位置する先端部側の第１部位を覆う第１絶縁体部と、
前記アンテナにおける前記チャンバ内に位置する前記基端部側の第２部位を覆う第２絶縁体部と、
前記第２部位を覆い且つ前記第１部位を覆わない導体部と、を備える。
箱状であり、内側で生成されたイオンまたは電子を外へ放射するための開口部を有するチャンバと、
前記チャンバの周壁を貫通する供給路を通じて前記チャンバ内へ気体を導入する気体導入部と、
前記周壁における前記開口部に対向する位置に設けられたコネクタと、
基端部が前記コネクタに接続され、前記チャンバ内において前記開口部に向かって延在するアンテナと、
前記アンテナにおける前記チャンバ内に位置する先端部側の第１部位を覆う第１絶縁体部と、
前記アンテナにおける前記チャンバ内に位置する前記基端部側の第２部位を覆う第２絶縁体部と、
前記第２部位を覆い且つ前記第１部位を覆わない導体部と、を備える。
本発明によれば、基端部がコネクタに接続され、チャンバ内において開口部に向かって延在するアンテナと、アンテナにおける第１部位を覆う第１絶縁体部と、アンテナにおける第２部位を覆う第２絶縁体部と、第２部位を覆い且つ第１部位を覆わない導体部と、を備える。これにより、導体部の存在に起因して、チャンバ内におけるアンテナの第２部位の周囲に発生するプラズマの密度を低減し、チャンバ内における第２部位の周囲よりも開口部に近い領域で発生するプラズマの密度が高まる。従って、チャンバ内において開口部に近い領域で生成されるイオンまたは電子が増加するので、その分、それらを引出電極により開口部からチャンバ外へ引き出す際の引出効率が向上するという利点がある。
以下、本実施の形態に係るプラズマ源について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態に係るプラズマ源は、アンテナにおけるチャンバ内に位置する先端部側の第１部位を覆う第１絶縁体部と、アンテナにおけるチャンバ内に位置する基端部側の第２部位を覆う第２絶縁体部と、第２絶縁体部を覆う導体部と、を備える。このプラズマ源では、チャンバ内へアンテナを介してマイクロ波を導入することによりチャンバ内にプラズマを生成する。そして、導体部を備えることにより、チャンバ内におけるアンテナの第２部位の周囲に発生するプラズマの密度を低減し、チャンバ内における第２部位の周囲よりもチャンバの開口部に近い領域で発生するプラズマの密度を高めるというものである。
例えば図１に示すように、本実施の形態に係るプラズマ源１は、チャンバ１１と、チャンバ１１内へ気体を導入する気体導入部３１と、２つの真空コネクタ１４と、２つの真空コネクタ１４それぞれに基端部１５ａが接続されたアンテナ１５とを備える。そして、プラズマ源１は、チャンバ１１内で生成されたイオンまたは電子をチャンバ１１外へ引き出すための引出電極１７と、チャンバ１１の開口部１１ａを覆うスリット部材１８と、を備える。また、プラズマ源１は、アンテナ１５における先端部１５ｂ側の第１部位Ｐ１を覆う第１絶縁体部２１と、アンテナ１５における基端部１５ａ側の第２部位Ｐ２を覆う第２絶縁体部１３と、第２絶縁体部１３を覆う導体部１６と、を備える。また、真空コネクタ１４には、アンテナ１５が接続される側とは反対側に同軸ケーブル４１が接続されている。同軸ケーブル４１は、ケーブル４１１とケーブル４１１の端部に設けられたプラグ４１２とを有する。同軸ケーブル４１は、マイクロ波源（図示せず）に接続されており、マイクロ波源から同軸ケーブル４１を通じてアンテナ１５へマイクロ波が供給される。マイクロ波としては、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波である。
チャンバ１１は、有底円筒状の箱状であり、内側で生成されたイオンまたは電子を外へ放射するための開口部１１ａを有する。チャンバ１１は、金属から形成されている。また、チャンバ１１の内壁には、絶縁体層１１２が設けられている。絶縁体層１１２は、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等のセラミックスから形成されている。このように絶縁体層１１２が設けられていることにより、チャンバ１１の周壁１１１のチャンバ１１内に生成したプラズマへの曝露が防止されるので、チャンバ１１の内壁の金属原子がスパッタリングされてチャンバ１１外へ放出されてしまうことを防止できる。
また、チャンバ１１の周壁１１１における開口部１１ａに対向する位置、即ち、チャンバ１１の底壁には、２つの真空コネクタ１４が埋設されている。また、チャンバ１１の周壁１１１には、チャンバ１１外からチャンバ１１内へ気体を供給するため供給路１１３が形成されている。供給路１１３は周壁１１１を貫通しており、その内部がチャンバ１１内に連通している。
供給路１１３は、主部１１３ａと、気体導入部３１側の端部とは反対側の端部に形成され主部１１３ａに比べて幅広の幅広部１１３ｂと、を有する。そして、幅広部１１３ｂには、嵌合部材３２が嵌入されている。嵌合部材３２は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、第１部材３２１と第２部材３２２とを有する。第１部材３２１は、有底円筒状であり、底壁３２１ｂに、気体導入部３１から供給される気体を吸入するための吸入口３２１ａが設けられている。また、第２部材３２２は、円板状であり、その厚さ方向に貫通し、第１部材３２１内に吸入された気体を排出するための排出口３２２ａが設けられている。
嵌合部材３２は、供給路１１３に嵌入された状態で、気体導入部３１側に設けられた吸入口３２１ａから吸入した気体を気体導入部３１側とは反対側に設けられた排出口３２２ａから排出する。そして、チャンバ１１の内側から供給路１１３を臨む第１方向（図２（Ｂ）中の矢印ＡＲ０参照）から見たときに、排出口３２２ａと吸入口３２１ａとは、互いに第１方向ＡＲ０に直交する方向（第２方向）へずれている。そして、図２（Ｂ）の矢印ＡＲ１に示すように供給路１１３から吸入口３２１ａを通じて第１部材３２１内へ導入された気体は、図２（Ｂ）の矢印ＡＲ２に示すように、第２部材３２２の排出口３２２ａを通ってチャンバ１１内へ排出される。
気体導入部３１は、チャンバ１１の外側から供給路１１３に接続されており、供給路１１３を通じてチャンバ１１内へ気体を導入する。気体導入部３１は、例えばＰＨ３（フォスフィン）、ＡｓＨ３（アルシン）等を貯留するボンベ（図示せず）に接続され、ボンベに貯留された気体をチャンバ１１内へ供給する気体供給源である。
真空コネクタ１４は、長尺のピン１４１と、絶縁体から形成されピン１４１の長手方向における中央部を保持する保持部１４２と、導電性材料から円筒状に形成され内側にピン１４１が配置される筒状部１４３と、を有する。また、真空コネクタ１４は、金属から形成され、保持部１４２の外側を覆い、真空コネクタ１４がチャンバ１１の周壁１１１に埋設する際にチャンバ１１の周壁１１１に溶接され保持部１４２と周壁１１１との間を封止する封止部１４４を有する。筒状部１４３の外壁には、図５に示すように、雄螺子部１４３ａが設けられている。ピン１４１の先端部には、いわゆるすり割り部分が形成されている。そして、アンテナ１５は、その基端部１５ａがピン１４１のすり割り部分に挟み込まれた状態で、ピン１４１に取り付けられる。
図１に戻って、アンテナ１５は、細長の円柱状であり、チャンバ１１内においてその開口部１１ａに向かって延在している。第１絶縁体部２１は、アンテナ１５における、チャンバ１１内に位置する先端部１５ｂ側の第１部位Ｐ１を覆っている。このように第１絶縁体部２１がアンテナ１５の第１部位Ｐ１を覆っていることにより、アンテナ１５の第１部位Ｐ１のチャンバ１１内に生成したプラズマへの曝露が防止されるので、プラズマによるアンテナ１５の第１部位Ｐ１の摩耗を防止できる。
第１絶縁体部２１は、アンテナ１５の長手方向に沿って配列した複数（図１では５つ）のサブ絶縁体部２１１と、絶縁体から形成されアンテナ１５の先端部１５ｂを覆うキャップ部２１２と、を有する。サブ絶縁体部２１１およびキャップ部２１２は、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＢＮ（窒化ホウ素）等の誘電体から形成されている。なお、各サブ絶縁体部２１１およびキャップ部２１２を形成する材料は、同種類の材料であってもよいし、互いに異なる材料であってもよい。また、サブ絶縁体部２１１およびキャップ部２１２を形成する材料の誘電率は、互いに異なっていてもよいし同じであってもよい。
サブ絶縁体部２１１は、図３（Ａ）に示すように、外形が円柱状の本体部２１１１と、本体部２１１１の長手方向における一端部に連続し外形が本体部２１１１よりも小径の円柱状の小径部２１１２と、を有する。本体部２１１１の長手方向における他端部には、断面円形状の凹部２１１４が設けられている。本体部２１１１および小径部２１１２には、本体部２１１１の凹部２１１４の底から小径部２１１２における本体部２１１１とは反対側の端面まで貫通する貫通孔２１１３が設けられている。そして、図１に示すように、複数のサブ絶縁体部２１１のうちアンテナ１５の長手方向における両端に位置するサブ絶縁体部２１１を除いて、アンテナ１５の長手方向で隣接する２つのサブ絶縁体部２１１の一方の小径部２１１２が他方の凹部２１１４に嵌入されている。これにより、例えば図３（Ｂ）に示すように、アンテナ１５の長手方向で隣接する２つのサブ絶縁体部２１１の間に隙間Ｇが生じたとして、アンテナ１５がチャンバ１１内のプラズマに曝されることがない。キャップ部２１２は、図４（Ａ）に示すように、有底円筒状であり、内側にサブ絶縁体部２１１の小径部２１１２が嵌入されている。
図１に戻って、第２絶縁体部１３は、アンテナ１５における、チャンバ１１内に位置する基端部１５ａ側の第２部位Ｐ２を覆っている。第２絶縁体部１３も、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＢＮ（窒化ホウ素）等の誘電体から形成されている。なお、第２絶縁体部１３を形成する材料は、サブ絶縁体部２１１を形成する材料と同じであってもよいし異なっていてもよい。また、第２絶縁体部１３を形成する材料の誘電率は、各サブ絶縁体部２１１を形成する材料の誘電率と同じであってもよいし異なっていてもよい。第２絶縁体部１３は、図４（Ｂ）に示すように、外形が円柱状の本体部１３１と、本体部１３１の長手方向における一端部に連続し外形が本体部１３１よりも小径の円柱状の小径部１３２と、を有する。本体部１３１および小径部１３２には、本体部１３１の他端部から小径部１３２における本体部１３１とは反対側の端面まで貫通する貫通孔１３３が設けられている。そして、第２絶縁体部１３の小径部１３２が、アンテナ１５の長手方向で隣接するサブ絶縁体部２１１の凹部２１１４に嵌入されている。
導体部１６は、第２絶縁体部１３を覆っている。そして、この導体部１６と第２絶縁体部１３とアンテナ１５の第２部位Ｐ２とから、いわゆる同軸構造が形成される。導体部１６は、例えばステンレスのような耐熱性の高い金属から形成されている。また、導体部１６の外壁は、円筒状の絶縁部材２３で覆われている。絶縁部材２３は、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等のセラミックスから形成されている。
導体部１６は、図５に示すように、円筒状の本体部１６１と、円筒状であり本体部１６１よりも小径の小径部１６２と、本体部１６１と小径部１６２との間に介在する環状部１６３と、を有する。導体部１６における本体部１６１の内壁には、真空コネクタ１４の筒状部１４３の外壁に設けられた雄螺子部１４３ａに螺合する雌螺子部１６１ａが設けられている。環状部１６３の真空コネクタ１４側には、真空コネクタ１４の筒状部１４３の先端部が当接している。また、環状部１６３の真空コネクタ１４側とは反対側には、図１に示すように、サブ絶縁体部２１１が当接する。
ここで、アンテナ１５の第２部位Ｐ２と導体部１６との間のインピーダンスは、真空コネクタ１４に接続された同軸ケーブル４１の内部導体と外部導体との間のインピーダンスに等しくなっている。具体的には、導体部１６の内径、第２絶縁体部１３の比誘電率およびアンテナ１５の第２部位Ｐ２の外径は、真空コネクタ１４に接続された同軸ケーブル４１の内部導体と外部導体との間のインピーダンスに等しくなるように選択されている。
以上説明したように、本実施の形態に係るプラズマ源１によれば、アンテナ１５と第１絶縁体部２１と第２絶縁体部１３と導体部１６とを備える。ここで、アンテナ１５は、基端部１５ａが真空コネクタ１４に接続され、チャンバ１１内において開口部１１ａに向かって延在する。第１絶縁体部２１は、アンテナ１５における第１部位Ｐ１を覆い、第２絶縁体部１３は、アンテナ１５における第２部位Ｐ２を覆う。そして、導体部１６は、第２絶縁体部１３を覆っている。このようにして、導体部１６と第２絶縁体部１３とアンテナ１５の第２部位Ｐ２とから、いわゆる同軸構造が形成されている。これにより、導体部１６の存在に起因して、チャンバ１１内におけるアンテナ１５の第２部位Ｐ２の周囲に発生するプラズマの密度を低減し、チャンバ１１内における第２部位Ｐ２の周囲よりも開口部１１ａに近い領域で発生するプラズマの密度が高まる。従って、チャンバ１１内において開口部１１ａに近い領域で生成されるイオンまたは電子が増加するので、その分、それらを引出電極１７により開口部１１ａからチャンバ１１外へ引き出す際の引出効率が向上するという利点がある。
また、本実施の形態に係る真空コネクタ１４は、外壁に雄螺子部１４３ａが設けられた筒状部１４３を有し、導体部１６が、内壁に雄螺子部１４３ａに螺合する雌螺子部１６１ａが設けられた本体部１６１を有する。これにより、導体部１６を真空コネクタ１４に堅固に固定しつつ、真空コネクタ１４に対して着脱自在とすることができるので、真空コネクタ１４と導体部１６との隙間からのマイクロ波の漏洩を抑制しつつ、導体部１６のメンテナンス性を向上させることができる。そして、導体部１６および第２絶縁体部１３を、長さが異なる他の導体部および第２絶縁体部に付け替えることができるため、チャンバ１１内に生成されるプラズマの密度分布の調整が容易であるという利点もある。
更に、本実施の形態に係るアンテナ１５の第２部位Ｐ２と導体部１６との間のインピーダンスは、同軸ケーブル４１の内部導体と外部導体との間のインピーダンスに等しい。これにより、同軸ケーブル４１からアンテナ１５へ供給されるマイクロ波の、アンテナ１５の第２部位Ｐ２での反射が低減されるので、マイクロ波の損失が低減される。
また、本実施の形態に係る第１絶縁体部２１は、アンテナ１５の長手方向に沿って配列した複数のサブ絶縁体部２１１を有する。これにより、第１絶縁体部２１の一部がプラズマにより摩耗した場合、その一部に対応するサブ絶縁体部２１１のみを交換すればよい。従って、第１絶縁体部２１の全体を交換する場合に比べて部品コストを低減することができる。
更に、本実施の形態に係る嵌合部材３２は、チャンバ１１の内側から供給路１１３を臨む第１方向ＡＲ０から見たときに、排出口３２２ａと吸入口３２１ａとは、互いに第１方向に直交する第２方向へずれている。これにより、供給路１１３の内壁がチャンバ１１内に生成したプラズマに曝されにくくなっているので、供給路１１３の内壁に露出した金属原子がスパッタリングされてチャンバ１１外へ放出されてしまうことを防止できる。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、チャンバ１１を囲繞するように設けられた磁石またはソレノイドコイルを備え、チャンバ１１内に磁場を発生させる構成であってもよい。或いは、チャンバ１１を囲繞するように、２つのソレノイドコイルと多極磁石とを備え、チャンバ１１内にカスプ型磁場を発生させる構成であってもよい。
実施の形態では、２本のアンテナ１５を備える構成について説明したが、アンテナ１５の本数は２本に限定されるものではなく、例えばアンテナ１５を１本だけ備えるものであってもよいし、或いは、アンテナ１５を３本以上備えるものであってもよい。
実施の形態では、第１絶縁体部２１が複数のサブ絶縁体部２１１を有する例について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば第１絶縁体部２１がアンテナ１５の第１部位Ｐ１全体を覆う１つの絶縁体部を有するものであってもよい。また、第１絶縁体部２１が有するサブ絶縁体部２１１の数は５つに限定されるものではなく、６つ以上であってもよいし、４つ以下であってもよい。
実施の形態では、アンテナ１５の第２部位Ｐ２と導体部１６との間のインピーダンスが、同軸ケーブル４１の内部導体と外部導体との間のインピーダンスに等しい例について説明した。但し、これに限らず、アンテナ１５の第２部位Ｐ２と導体部１６との間のインピーダンスと同軸ケーブル４１の内部導体と外部導体との間のインピーダンスとが互いに異なるものであってもよい。
実施の形態では、絶縁体層１１２および絶縁部材２３がセラミックスから形成されている例について説明したが、絶縁体層１１２および絶縁部材２３を形成する材料はセラミックスに限定されるものではなく、例えば炭素材料から形成されていてもよい。
実施の形態において、真空コネクタ１４が、外壁に雄螺子部が設けられていない筒状部を有し、導体部１６が、内壁に雌螺子部が設けられていない本体部を有する構成であってもよい。
実施の形態では、供給路１１３が、主部１１３ａと、気体導入部３１側の端部とは反対側の端部に形成され主部１１３ａに比べて幅広の幅広部１１３ｂと、を有する例について説明した。但し、供給路の形状はこれに限定されるものではなく、例えば供給路全体に亘って供給路の幅が一定であってもよい。
実施の形態において、高周波源（図示せず）から同軸ケーブル４１を通じてアンテナ１５へ１３．５６ＭＨｚの高周波が供給されてもよい。
実施の形態では、ピン１４１の先端部にいわゆるすり割り部分が形成されており、ここにアンテナ１５を挟み込むことにより、アンテナ１５がピン１４１に取り付けられる構成について説明した。但し、アンテナ１５をピン１４１に取り付ける構造は、この構造に限定されるものではない。例えば、アンテナ１５の基端部１５ａに螺子部が形成されるとともに、ピン１４１の先端部に、アンテナ１５に形成された螺子部に螺合する螺子部が形成されており、アンテナ１５の基端部１５ａをピン１４１の先端部にねじ込むことによりアンテナ１５がピン１４１に取り付けられる構成であってもよい。
本発明は、イオン注入装置に用いられるプラズマ源として好適である。
１：プラズマ源、１１：チャンバ、１１ａ：開口部、１３：第２絶縁体部、１４：真空コネクタ、１５：アンテナ、１５ａ：基端部、１５ｂ：先端部、１６：導体部、１７：引出電極、１８：スリット部材、２１：第１絶縁体部、２３：絶縁部材、３１：気体導入部、３２：嵌合部材、４１：同軸ケーブル、１１１：周壁、１１２：絶縁体層、１１３：供給路、１１３ａ：主部、１１３ｂ：幅広部、１３１，１６１，２１１１：本体部、１３２，１６２，２１１２：小径部、１３３，２１１３：貫通孔、１４１：ピン、１４２：保持部、１４３：筒状部、１４３ａ：雄螺子部、１４４：封止部、１６１ａ：雌螺子部、１６３：環状部、２１１：サブ絶縁体部、２１２：キャップ部、３２１：第１部材、３２１ａ：吸入口、３２１ｂ：底壁、３２２：第２部材、３２２ａ：排出口、４１１：ケーブル、４１２：プラグ、２１１４：凹部、Ｇ：隙間、Ｐ１：第１部位、Ｐ２：第２部位
Claims (5)
- 箱状であり、内側で生成されたイオンまたは電子を外へ放射するための開口部を有するチャンバと、
前記チャンバの周壁を貫通する供給路を通じて前記チャンバ内へ気体を導入する気体導入部と、
前記周壁における前記開口部に対向する位置に設けられたコネクタと、
基端部が前記コネクタに接続され、前記チャンバ内において前記開口部に向かって延在するアンテナと、
前記アンテナにおける前記チャンバ内に位置する先端部側の第１部位を覆う第１絶縁体部と、
前記アンテナにおける前記チャンバ内に位置する前記基端部側の第２部位を覆う第２絶縁体部と、
前記第２部位を覆い且つ前記第１部位を覆わない導体部と、を備える、
プラズマ源。 - 前記第１絶縁体部の内側および前記第２絶縁体部の内側には、永久磁石が配置されていない、
請求項１に記載のプラズマ源。 - 前記コネクタは、
長尺のピンと、
絶縁体から形成され前記ピンの長手方向における中央部を保持する保持部と、
導電性材料から円筒状に形成され、外壁に雄螺子部が設けられるとともに、内側に前記ピンが配置される筒状部と、を有し、
前記導体部は、筒状であり、内壁に前記雄螺子部に螺合する雌螺子部が設けられている、
請求項１または２に記載のプラズマ源。 - 前記コネクタは、前記アンテナが接続される側とは反対側に同軸ケーブルが接続され、
前記第２部位と前記導体部との間のインピーダンスは、前記同軸ケーブルの内部導体と外部導体との間のインピーダンスに等しい、
請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ源。 - 前記供給路に嵌入され、前記気体導入部から気体を吸入する吸入口と吸入した前記気体を排出する排出口とを有する嵌合部材を更に備え、
前記チャンバの内側から前記供給路を臨む第１方向から見たときに、前記排出口と前記吸入口とは、互いに前記第１方向に直交する第２方向へずれている、
請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ源。
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