JP6830957B2 - プラズマを同軸照射装置により生成する基本装置及びそれを備える設備 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを生成するための基本装置及び設備に関する。

より詳細には、本発明は同軸マイクロ波出力照射装置を備えた、プラズマを生成するための基本装置に関する。

密閉されたチャンバー内でプラズマを生成する設備は、例えば、表面洗浄、殺菌、成膜（特にプラズマＣＶＤ並びにダイヤモンド成膜）、エッチング、及びイオンビームスパッタリング（又はカソードスパッタリング）のようなその他の表面処理のような種々の分野に応用される。

発生装置とチャンバーの内部との間でマイクロ波エネルギーを伝搬するためには、プラズマを生成するための、少なくとも一つの基本装置を用いる必要があり、通常そのような基本装置が複数個協働する「基本ソース」と呼ばれるものがある。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示される従来の基本装置１０は、マイクロ波エネルギーを、導波管又は同軸ケーブルからチャンバーへと伝搬させるマイクロ波出力同軸照射装置１００（以下、同軸照射装置１００ともいう）を備える。この同軸照射装置１００は、主軸に沿って延在しかつ導電性を有する中央コア１０１と、中央コア１０１を囲む導電性アウターシールド１０２と、中央コア１０１とアウターシールド()との間に存在するマイクロ波エネルギーを伝搬するための媒体１０３（以下、伝搬媒体１０３ともいう）と、を備える。アウターシールド１０２は、好ましくは円筒形で、遠位端１０４が底壁によって閉鎖されている周壁を有する。同軸照射装置１００は、更に、導波管又は同軸ケーブルとの接続機構１０５を備える。この接続機構１０５は、アウターシールド１０２の周壁に配置されており、底壁から任意の距離だけ離れている。アウターシールド１０２は、反対側の近位端１０６において、プラズマチャンバー（図示せず）内に開放されるように開口する。近位端１０６の開口は、マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなる絶縁体１０７により閉塞され、かつプラズマチャンバー内で活性化した状態で存在する気体と接触する外表面１０８を有する。

確かに、伝搬媒体１０３とプラズマチャンバーの内部とを接続するには、（例えば水晶、アルミナ、窒化ホウ素等からなる）絶縁誘電体１０７の使用が必要であり、これにより、一方ではマイクロ波をチャンバー側へ伝搬させることが確保され、他方では伝搬媒体１０３と、通常周囲の大気圧に対して圧力が低いチャンバー内部との間を封止することが確保される。

図１（ａ）及び図１（ｂ）の二つの例において、同軸照射装置１００の構成において、中央コア１０１（図１（ａ））が絶縁体１０７を完全に貫通・突出している場合、又は中央コア１０１（図１（ｂ））が絶縁体１０７に挿入され端部が外表面１０８と面一になる場合にかかわらず、絶縁体１０７の外表面１０８は平面である。

絶縁体１０７の外表面１０８は平面である。出願人は、この平面状の表面において、絶縁体１０７のインピーダンスとプラズマのインピーダンスとが非常に突然に変化することを見いだした。このインピーダンスの変化は、必然的に反射電力を生じさせるので、同軸照射装置の上流に設けられたインピーダンスアダプタにより、補正する必要がある。

国際公開番号第２０１４／００９４１２は、プラズマを生成するための基本装置を開示している。この基本装置は、マイクロ波出力同軸照射装置を備え、マイクロ波出力同軸照射装置は、主軸に沿って延在する導電性の中央コアと、中央コアを囲む導電性のアウターシールドと、中央コアとシールドとの間に存在するマイクロ波エネルギーを伝搬させるための媒体と、を有し、アウターシールドは、マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなる絶縁体により閉塞された基端を有し、この絶縁体は、チャンバー内で活性化した状態で存在する気体と接触するように設けられた外表面を有する誘電性の筒状に形成され、絶縁体は、主軸に沿ってシールドの外側に向けて突出する、ことを特徴とする。

しかし、この国際公開第２０１４／００９４１２号においては、誘電性筒の外表面は円筒形状であり、その先端まで直径が一定である。この絶縁体は、シールドから（絶縁体自体の外径よりも大きい程）大きく突出する。これはこの誘電性筒は表面波照射器として機能するために設計・形成されているためであり、言い換えれば、マイクロ波（又はマイクロ波エネルギー）を誘電性筒とプラズマとの間で伝搬するためである。これにより誘電性筒は、少なくとも自体の外径の２倍よりも大きく、シールドから外側に突出する。

本発明の目的は、絶縁体自体の表面とプラズマとの間でマイクロ波エネルギーの伝搬を増加させるためではなく、反射電力を制限することによりマイクロ波エネルギーのプラズマに対する貫通性を高めるために、絶縁体の形状を最適化することにある。

本発明は、これらの欠点を克服するためになされたものであり、この目的のためにプラズマを生成するための基本装置を提案する。この基本装置は、マイクロ波出力の同軸照射装置を備え、同軸照射装置は、主軸ＡＰに沿って延出する導電性の中央コアと、中央コアを囲む導電性のアウターシールドと、中央コアとシールド（遮蔽材）との間に存在するマイクロ波エネルギーを伝搬するための媒体と、マイクロ波エネルギー発生装置と直結するために、アウターシールドに配置された接続機構と、を有し、アウターシールドは、マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなる絶縁体により閉塞された基端を有し、かつチャンバー内で活性化した状態で存在する気体と接触するように設けられた外表面を有する。その外表面は、主軸を中心に回転対称であり、絶縁体は、主軸に沿ってシールドから外側に突出している。本装置は、特に、上記外表面が非平面でありかつシールドから外側に突出しており、外表面の外径が、主軸に沿って、シールドの外表面の先端に向かって減少していることを特徴とする。

これにより、設置された絶縁体は、プラズマチャンバー内へと進入し、該絶縁体の非平面で非常にシャープな外表面の形状により、生成されたプラズマの容積が調整される。よって絶縁体のインピーダンスとプラズマのインピーダンスとの間の変化が急激にならず、反射電力が減少され得る。

更に、絶縁体はシールドから離間するにつれ狭くなる。言い換えれば、活性化されたガス内に進入するのにつれて狭くなる。これにより、絶縁体のインピーダンスとプラズマのインピーダンスとの間の遷移性が向上する。

可能性のある一態様として、外表面の外径は、主軸に沿って、シールドから外表面の先端まで連続して減少している。

これにより、外表面の直径は不連続に変化することがない。言い換えれば、段差、階段状、切欠がない。絶縁体の外表面はその先端まで連続しており、エネルギーの伝送を最適化する。

第１の実施形態において、絶縁体の外表面は、略円錐形状であることを特徴とする。

この第１の実施形態では、
−絶縁体の外表面は、略円錐形状の頂部において切り欠かれ、先端がフラットな面を有する場合（例えば、円錐台）または丸みを帯びた形状を有する場合、
−絶縁体の外表面は、略円錐形状の頂部において切り欠かれておらず、尖った先端形状を有する場合、
の２つの可能性が考えられる。

第２の実施形態において、絶縁体の外表面は、略半球形状であることを特徴とする。

一態様として、絶縁体の外表面は、直角をなす角部を有しない。

他の一態様として、中央コアは、絶縁体を完全に貫通しない状態で絶縁体内に埋め込まれた近位端を有する。

ある特定の実施形態において、中央コアの近位端は、主軸に沿ってシールドから突出していることを特徴とする。

ゆえに、中央コアはシールドよりも長い。

可能性のある一態様として、絶縁体とシールドとは、共通の主軸を中心に周回しており、絶縁体の最大外径は、実質的にシールドの外径以上である。

本発明の効果として、絶縁体は、伝搬媒体と接触し、中央コアが挿入された内表面を有し、その内表面は、非平面であり主軸に対して非直交である。

本発明の可能性のある一態様として、内表面は、同軸照射装置の末端から絶縁体により閉塞されている基端に向かって主軸に沿って広がる外径を有する。

本発明の可能性のある他の一態様として、絶縁体の内表面は、略円錐形状である。

効果的な実施形態として、絶縁体は、主軸に沿ってシールドから外側に突出しており、その突出量は、シールドの近位端においてシールドの内径以下である。

このように、絶縁体の突出量が、絶縁体自身の外径以下の距離に限定されていることにより、マイクロ波エネルギーの通過を最適化する。言い換えれば、マイクロ波エネルギーの伝送中の損失及び反射を減少させる。

本発明はプラズマを生成するための設備に関するものである。この設備は、
−プラズマを内部で生成して閉じ込めるものであり、隔壁により画定されたチャンバーと、
−少なくとも一つのマイクロ波エネルギー発生装置と、
−本発明に係る、少なくとも一つの基本装置と、を備え、少なくとも一つの基本装置の接続機構は、マイクロ波エネルギー発生装置と接続され、該少なくとも一つの基本装置の絶縁体の外表面は、隔壁を貫通してチャンバー内に延出することを特徴とする。

本発明の可能性のある一態様として、同軸照射装置のシールドは、一部がチャンバーに取付けられ、密閉された状態で隔壁を貫通するように構成される。

本発明の可能性のある他の一態様として、同軸照射装置のシールドの少なくとも一部が隔壁と一体形成される。

本発明のその他の特徴及び効果並びに非限定的な実施例は、以下の詳細な説明において添付の図面を参照して記載される。

図１（ａ），（ｂ）は、上記従来の、プラズマを生成するための基本装置の軸方向断面概略図である。 図２は、本発明に係る第１の基本装置の、軸方向断面概略図である。 図３は、本発明に係る第２の基本装置の、軸方向断面概略図である。 図４は、本発明に係る第３の基本装置の、軸方向断面概略図である。 図５は、図２に示された、第１の基本装置の概略斜視図である。 図６は、図２及び図５に示された第１の基本装置が配置されたプラズマチャンバーの内部の概略図である。 図７は、図２及び図５に示された第１の基本装置が複数配置されたプラズマチャンバーの内部の概略図である。

図２〜５は、プラズマを発生させるための基本装置１の３つの実施形態を示し、第１の実施形態は図２及び図５に、第２の実施形態は図３に、及び第３の実施形態は図４に示されている。特に明示的又は非明示的に記載されていない限り、部材、部品、装置、又は構造的若しくは機能的に同一若しくは類似の要素は、同一の参照符号を付与される。

基本装置１は、マイクロ波エネルギー発生装置（図示せず、特に固体型発生器）とプラズマチャンバー４（図６及び図７を参照）の内部との間にマイクロ波エネルギーを伝搬させることを確保する、同軸マイクロ波出力照射装置２（以下、単に同軸照射装置２ともいう）を備える。

この同軸照射装置２は、主軸ＡＰに沿って細長く形成された細長形状であり、
−遠位端２１と、
−その反対側に位置し、チャンバー４内に開放する近位端２２（基端に相当）と、を備えている。

同軸照射装置２は、
−主軸ＡＰに沿って延伸する棒状（特に、断面形状が一定の棒状）の導電性の中央コア２３と、
−中央コア２３を囲み、中空のスリーブ状に形成され、主軸ＡＰを中心とした円筒形の内面を有する周壁と、同軸照射装置２の遠位端２１を閉鎖する底壁と、を備える導電性アウターシールド２４（以下、単にシールド２４ともいう）と、
−中央コア２３とアウターシールド２４との間に位置するマイクロ波エネルギーを伝搬するために設けられた、例えば空気からなる、媒体２５（以下、伝搬媒体２５ともいう）と、
−マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなり、同軸照射装置２の近位端２２に設けられる絶縁体２６と、を備えている。

シールド２４は、近位端２２において開口しており、該開口は、伝搬媒体２５とチャンバー４の内部との間を確実に封止する絶縁体２６により閉塞されている。

同軸照射装置２は、更に、マイクロ波エネルギー発生装置と接続するための接続機構３を備えている。この接続機構３は、接続機構３に接続される同軸ケーブル又は導波管（図示せず）を発生器に確実に接続をするための任意の手段により構成されている。

図２〜図４の例において、接続機構３は、同軸ケーブルが接続できるように設計されており、この目的のために同軸構造を有している。従来このような同軸構造は、同軸照射装置２のシールド２４（以下に記載）に接触し、同軸照射装置２の中央コア２３（以下に記載）に接触する内部導体を囲む、外部導体を備えている。

この接続機構３は、シールド２４の底壁又は周壁上に配置されてよい。

絶縁体２６は、同軸照射装置２の近位端２２を完全に閉塞し、これにより多くの場合低圧に維持されるチャンバー４の内部を、周囲の大気圧と同等である伝搬媒体２５から分離する。

絶縁体２６は、主軸ＡＰを中心とする回転状物の一部であり、外表面２７を有する。外表面２７は、チャンバー４の内部に、特にチャンバー４の内部で活性化した状態で存在する気体に、接触する。

更に、この絶縁体２６は、主軸ＡＰに沿ってシールド２４から距離ＤＣだけ外側に突出する。該絶縁体２６の外表面２７は平面状ではなく、シールド２４から距離ＤＣだけ外側に突出している。

この距離ＤＣは、近位端において、シールド２４の内径以下の長さである。シールド２４の近位端における内径とは、絶縁体２６が接触するシールド２４の内周面又は円筒内面の直径を意味する。したがって、距離ＤＣは、シールド２４の近位端における、絶縁体２６の外径以下の長さである。

この外表面２７は、直角ではない角度でシールド２４から外側に曲げられていて、主軸ＡＰを中心として回転対称である。

一般に、この外表面２７の直径は、主軸ＡＰに沿って、シールド２４から該外表面２７の先端まで連続して（即ち段差、切欠、階段状ではなく）減少している。

この外表面２７は、例えば、フラットな先端形状（図２、３、及び５を参照）を有する略円錐形状であるか、又は、先端が尖った略円錐形状の端部（図４を参照）を有している。

なお、外表面２７は、略直線（図２〜７に示されるように母線が直線である）もしくは、凹型又は凸型（円錐の母線が曲がっている）の円錐形状をしている。

図示されていない変形例として、外表面２７は、先端が丸みを帯びている、又は、先端が半球形状の略円錐形状である。

一般に、外表面２７の外径は、主軸ＡＰに沿って、シールド２４から該外表面２７の先端まで（外表面２７の自由端まで）減少している。ゆえに、シールド２４から離れるのにしたがって（そしてチャンバー４内部に進入することにより）、外表面２７の外径は、例えば規則的に（円錐形状に）又は不規則的に減少する。

加えて、絶縁体２６は、伝搬媒体２５と接触する内表面２８をさらに備える。内表面２８は、シールド２４に完全に囲まれかつ中央コア２３が挿入されている。この内表面２８は、伝搬媒体２５に接触している横断面である。

この内表面２８は、図３及び図４における実施形態に示されるように、平面でかつ主軸ＡＰに対して直交してもよい。

好ましくは、図２における実施形態に示されるように、この内表面２８は非平面であってもよい。この内表面２８は、外表面２７と同じ理由で非平面である。即ち、絶縁体２６を介して活性化した気体に対する、伝搬媒体２５における波の通過を促進するためであり、急激なインピーダンス阻害及び不要な反射電力の生成を避けるためである。

一般に、内表面２８は、主軸ＡＰに対して直交しておらず、外径が、遠位端２１から絶縁体２６により閉塞されている近位端２２に向かって主軸ＡＰに沿って広がっている。

この内表面２８は、例えば、略円錐形状である。より詳細には、略直線（図２に示されるように円錐の母線が直線状）もしくは、凹型又は凸型（円錐の母線が曲がっている）の円錐形状である。

図２〜４に示される実施形態によると、中央コア２３は基端を有し、該基端はこの絶縁体２６を完全に貫通しない状態で、絶縁体２６内に埋め込まれている。

図２及び図３の実施例によると、中央コア２３の近位端は、距離ＤＣより短い距離ＤＡだけ、主軸ＡＰに沿ってシールド２４から突出している。

図４の実施例において、中央コア２３の近位端は、シールド２４の近位端と一直線上に位置するので、シールド２４からは突出しない。

図２及び図４の実施例において、絶縁体２６の最大外径は、実質的にシールド２４の内径と同じ長さである。図３の実施例において、絶縁体２６の最大外径は、シールド２４の外径と同じ長さである。したがって、絶縁体２６は、シールド２４の内側に入り込ませるために、シールド２４の内径と実質的に同等の径に減少させる段部を有する。

図示されない変形例として、中央コア２３の基端は、シールド２４の基端に対して（シールド２４の内側に）後退している。

図示されない変形例として、絶縁体２６の最大外径は、シールド２４の外径よりも大きい。絶縁体２６の最大外径がシールド２４の外径以上の場合、絶縁体２６がチャンバー４の隔壁４０に部分的に接触していることがあり得る。

このような基本装置１は、プラズマを生成するための設備に使用される。基本装置１は、
−プラズマを内部で生成して閉じ込めるものであり、隔壁４０により画定されたチャンバー４と、
−少なくとも一つのマイクロ波エネルギー発生装置（図示せず）であり、特に固体発生型の装置と、
−一方が発生器に、他方が基本装置１の接続機構３に接続される、少なくとも１本の同軸ケーブル又は導波管（図示せず）と、
−図６及び図７に示されるように、絶縁体２６の外表面２７が、隔壁４０を通り抜けてチャンバー４内に延出する、少なくとも一つの基本装置１と、を備えている。

なお、同軸照射装置２のシールド２４は、
−その一部がチャンバー４に取付けられ、密閉された状態で隔壁４０を通り抜けるように構成され、又は
−少なくとも一部が隔壁４０と一体形成される。即ちこのシールド２４は、部分的に又は全体的に隔壁４０自体によって形成される。

Claims (13)

1. プラズマを生成するための基本装置（１）であって、マイクロ波出力の同軸照射装置（２）を備え、
   前記同軸照射装置（２）は、
   主軸ＡＰに沿って延出する導電性の中央コア（２３）と、
   前記中央コア（２３）を囲む導電性のアウターシールド（２４）と、
   前記中央コア（２３）と前記アウターシールド（２４）との間に存在するマイクロ波エネルギーを伝搬するための媒体（２５）と、
   マイクロ波エネルギー発生装置と接続するために、前記アウターシールド（２４）に配置された接続機構（３）と、を有し、
   前記アウターシールド（２４）は、チャンバー（４）内で活性化した状態で存在する気体と接触するように設けられた外表面（２７）を有し、マイクロ波エネルギーを通過させる誘電材料からなる絶縁体（２６）、により閉鎖された基端を有し、
   前記外表面（２７）は、前記主軸（ＡＰ）を中心に回転対称であり、
   前記絶縁体（２６）は、前記主軸（ＡＰ）に沿って前記アウターシールド（２４）から外側に突出しており、
   前記基本装置（１）において、前記外表面（２７）は、非平面であり、外径が前記主軸（ＡＰ）に沿って前記アウターシールド（２４）から該外表面（２７）の先端までで減少し、前記アウターシールド（２４）から外側に突出しており、
   前記中央コア（２３）は、前記絶縁体（２６）を完全に貫通しない状態で、該絶縁体（２６）内に埋め込まれている基端を有している
   ことを特徴とする基本装置（１）。
2. 請求項１に記載の基本装置（１）において、
   前記外表面（２７）の前記外径は、前記主軸（ＡＰ）に沿って、前記アウターシールド（２４）から該外表面（２７）の先端まで連続して減少している
   ことを特徴とする基本装置（１）。
3. 請求項２に記載の基本装置（１）において、
   前記絶縁体（２６）の外表面（２７）は、略円錐形状又は略半球形状である
   ことを特徴とする基本装置（１）。
4. 請求項３に記載の基本装置（１）において、
   前記絶縁体（２６）の外表面（２７）は、先端がフラット又は丸みを帯びた形状の略円錐形状を有し、もしくは、切り欠かれていない尖った先端部を有する略円錐形状を有している
   ことを特徴とする基本装置（１）。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の基本装置（１）において、
   前記絶縁体（２６）の前記外表面（２７）は、直角の角部を有しない
   ことを特徴とする基本装置（１）。
6. 請求項１に記載の基本装置（１）において、
   前記中央コア（２３）の基端は、前記主軸（ＡＰ）に沿って前記アウターシールド（２４）から突出している
   ことを特徴とする基本装置（１）。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の基本装置（１）において、
   前記絶縁体（２６）及び前記アウターシールド（２４）は、共通の前記主軸（ＡＰ）を中心に周回しており、前記絶縁体（２６）の最大外径は、実質的に前記アウターシールド（２４）の外径以上である
   ことを特徴とする基本装置（１）。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の基本装置（１）において、
   前記絶縁体（２６）は、前記媒体（２５）と接触し、前記中央コア（２３）が挿入された内表面（２８）を有し、
   前記内表面（２８）は、非平面でありかつ前記主軸（ＡＰ）に対して非直交である
   ことを特徴とする基本装置（１）。
9. 請求項８に記載の基本装置（１）において、
   前記内表面（２８）は、前記同軸照射装置（２）の遠位端（２１）から前記絶縁体（２６）により閉塞されている近位端（２２）に向かって、前記主軸（ＡＰ）に沿って広がる外径を有している
   ことを特徴とする基本装置（１）。
10. 請求項８又は９に記載の基本装置（１）において、
    前記絶縁体（２６）の前記内表面（２８）は、略円錐形状である
    ことを特徴とする基本装置（１）。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載の基本装置（１）において、
    前記絶縁体（２６）は、前記アウターシールド（２４）の基端において、前記主軸（ＡＰ）に沿って、該シールド（２４）から外側に距離（ＤＣ）突出しており、該距離（ＤＣ）は、該シールド（２４）の内径以下である
    ことを特徴とする基本装置（１）。
12. プラズマを生成するための設備であって、
    前記プラズマを内部で生成して閉じ込めるものであり、隔壁（４０）により画定されたチャンバー（４）と、
    少なくとも一つのマイクロ波エネルギー発生装置と、
    請求項１〜１１の何れか１項に記載の少なくとも１つの前記基本装置（１）であって、前記接続機構（３）が、前記マイクロ波エネルギー発生装置と接続され、前記絶縁体（２６）の外表面（２７）が、前記隔壁（４０）を貫通して前記チャンバー（４）内に延出する
    ことを特徴とする設備。
13. 請求項１２に記載の設備において、
    前記同軸照射装置（２）の前記アウターシールド（２４）は、一部が前記チャンバー（４）に取付けられ、密閉された状態で前記隔壁４０を通り抜けるように構成されている、又は、少なくとも一部が前記隔壁（４０）と一体形成されている
    ことを特徴とする設備。