JPH01149965A

JPH01149965A - プラズマ反応装置

Info

Publication number: JPH01149965A
Application number: JP62307598A
Authority: JP
Inventors: Yukio Okamoto; 幸雄岡本; Seiichi Murayama; 村山　精一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-07
Filing date: 1987-12-07
Publication date: 1989-06-13
Anticipated expiration: 2013-09-03
Also published as: JP2792558B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、プラズマを用いて、デポジション、重合、酸
化、窒化、エツチング、焼結、あるいは表面改質などを
行うプラズマ反応装置に係り、特に、これらの各処理に
用いるプラズマとして好適なプラズマの発生手段を具備
するプラズマ反応装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のプラズマ反応装置は、例えば、特開昭５９−４７
７３３号公報に記載されている。

第２図（Ａ）は、上記文献に記載された従来のプラズマ
反応装置の構成を概略的に示す図である。

１はマイクロ波発振器、２は高圧電源、３は振幅変調器
、４は導波路、５は反応室、６は試料、７は磁場コイル
、８は排気装置、９はガス導入装置である。

同図（Ｂ）は、同図（Ａ）に示した従来の装置のマイク
ロ波電力を示す図である。この図では、マイクロ波電力
と時間との関係が示しである。

同図（Ｂ）から明らかなように、従来の装置では、振幅
変調器３を用いて、プラズマ生成用のマイクロ波電力を
、プラズマが発生する最小電力Ｖ／ｗ＋ｎ（時間幅１１
）と、プラズマを発生させるための最大許容電力Ｗｍａ
ｘ　（時間幅ｔｚ）とを周期的に供給する振幅変調方式
を用いている。

従って、ｔ１期間では高温、高密度の強プラズマが、ｔ
２期間では低温、低密度の弱プラズマが生成されている
０発生されたプラズマ中には、イオン、ラジカルおよび
フォトンが存在するが、例えば、プラズマエツチングプ
ロセスにおいては、ｔ１期間において主として生成され
るイオンと、ｔ２期間において主として生成されるラジ
カルとを用い、振幅変調を行わない定常プラズマ、すな
わち、印加するマイクロ波電力が時間的に一定であるプ
ラズマを用いた場合に比べ、非等方的特性などの向上を
図っていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、イオン、ラジカルおよびフォトンの種
類、密度、エネルギー、およびこれらの比をより広範に
制御することについては、十分配慮されておらず、種々
のプラズマ反応プロセスへの応用には限界があった。

本発明の目的は、プラズマ発生用電力の新しい供給法（
いわば、パルスの幅−周波数一振幅一個数組合せ変調方
式）により、イオン、ラジカル等の中性粒子およびフォ
トンの種類、密度、エネルギー、およびこれらの比など
の物理量などを時間的、空間的に任意に制御できるよう
にすることにより、上記従来技術の問題点を解決すると
共に、新しい材料の創製や表面改質等を可能にすること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、反応プラズマをパルスとして生成すると共
に、パルス電力印加期間中に発生するアクティブプラズ
マと、パルス電力を印加しない期間において、上記アク
ティブプラズマが自然に減衰する期間のアフターグロー
プラズマを形成し、少なくともアフターグロープラズマ
を用い、あるいはこれらのアクティブプラズマおよびア
フターグロープラズマとを組合せることにより、プラズ
マ反応に重要な上記物理量をはじめ、プラズマポテンシ
ャルエネルギーや、イオンシースポテンシャルエネルギ
ー等の時間的、空間的な制御を任意に可能とすることに
より達成される。

すなわち、本発明のプラズマ反応装置は、パルス電力を
用いてプラズマをパルス的に生成することを主要な特徴
とする。

〔作用〕

上記のように、プラズマをパルス電力を用いてパルス的
に生成し、パルス電力を印加した後、パルス電力を印加
せず上記パルス電力の印加により形成されたアクティブ
プラズマが自然に減衰する期間に形成されるアフターグ
ロープラズマでは、上記従来技術の弱プラズマに比べ、
非常に豊富なラジカル等の中性粒子やフォトン（主に紫
外線）の源として作用する。また、この期間はパルス電
力による電界が存在しないので、この電界による試料の
ダメージ（欠陥）等の問題がなくなる作用を有する。さ
らに、上記アクティブプラズマも上記従来技術の強プラ
ズマに比べ、非線形効果により、より高電離、高密度、
高エネルギーのイオン等の荷電粒子源として作用し、種
々の反応を助長する効果がある。

従って、上記アクティブプラズマとアフターグロープラ
ズマとを、印加パルス電力のパルスの１Ｎ、周期、振幅
および個数を用いると共に、適当に組合せて制御するこ
とによるパルスの幅−周波数一振幅一個数組合せ変調方
式により、上記物理量等を時間的、空間的に広範かつ任
意に制御できる。

これによって、デポジション、重合、酸化、窒化、エツ
チング、焼結あるいは表面改質等の各プラズマ反応プロ
セスに最適な条件に上記物理量等を設定することができ
、特性やスループットの向上をはじめ、新しい材料の創
製等も可能となる。

〔実施例〕

実施例　１以下、本発明の第１の実施例を第１図および第３図を用
いて説明する。第１図は、プラズマ発生用電力としてマ
イクロ波（１〜１００　ＧＨｚ）を用いたときの基本構
成を示す図である。第１図において、１はマグネトロン
、クライストロン、ジャイラトロン等のマイクロ波発振
器、２はパルスを出力する高圧電源、４は導波管（整合
器、電力計等を含む。同軸ケーブルでも可）、５は反応
室（放電管、共振器等を含む）、６は試料（試料台、加
熱器等を含む）、７は磁場コイル（永久磁石でも可）、
８は排気装置、９は反応ガス導入装置、１ｏは電気回路
で構成され、パルスの幅、周期および個数制御装置、１
１は電気回路で構成されたパルスの振幅制御装置である
。

次に、動作について説明する。まず、反応室５内を排気
袋＠８によって高真空に排気した後、特定の反応ガス（
例えば、ＳｉＨ４％ＣＦ、、Ａｒ、０、、　Ｎ、など）
を適当な圧力（１０−＠〜７６０Ｔｏｒｒ）になるよう
導入する。次に、プラズマ発生用のマイクロ波電力は、
マイクロ波発振器１から、パルス幅ｔ　（０＜ｔ＜１＋
＋＋ｓ）　、周期Ｔ　ＣＴ＜１０ｓｅｃ）および個数Ｎ
　（Ｎｅｏ）を制御する制御装置１０とパルス振幅（Ｗ
）を制御する制御袋＠１１と高圧電源２を用いて、例え
ば、第３図に示すようにパルス的に発生させる。ここで
、ｔ、ＴおよびＮは各プラズマ反応およびプロセスに応
じて適宜最適化する。なお、Ｔは通常アフターグロープ
ラズマの減衰定数との関係から設定し、プラズマが完全
に減衰しない前に１次のパルス電力を印加することを基
本とする。この電力を導波管４を通じて反応室５に導入
すると、上記反応ガスは電離し、上記パルス電力に対応
して上記アクティブプラズマ（第３図のｔ工とｔ２の期
間）と、上記アフターグロープラズマ（第３図のＴ１−
（マイナス）ｔｘとＴｘ　　（マイナス）ｔｉの期間）
が形成される（パルスの幅−周波数一振幅一個数組合せ
変調方式）。

第３図は、パルスの幅ｔ工、周期Ｔい振幅Ｗ１、個数Ｎ
１のパルスＰ１と、幅ｔａ　（ｔｚ＞、＝、〈１１）、
周期Ｔｚ　（Ｔｚ＞、＝、＜’ｒｔ）、振幅Ｗ、　（Ｗ
、＞、　＝、＜ＷＸ）　、個数Ｎ２のパルスＰｉ（Ｎａ
〉、＝、〈Ｎ２）とを組合せた場合を示すが、３種類以
上のパルスＰｑ（ｑ〉３）を組合せてもよい。さらに、
例えばプロセスを３段階に分け、上記パルスをＰ工→Ｐ
２→Ｐ□またはＰ２→Ｐ１→Ｐ２のように組合せてもよ
い。これら組合せの選定は、デポジション、酸化、エツ
チング等各プラズマ反応およびそのプロセスの内容に応
じて行う０例えばエツチングの場合には、プロセスの前
半でアクティブプラズマが、後半でアフターグロープラ
ズマが主に作用するようにＰｌとＰ２を設定するとよい
。

実施例　２別の実施例を第４図に示す。本実施例は、プラズマ発生
用電力として、高周波（ｒｆ）電力または直流電力を用
いた場合の基本構成と出力波形の２例（第３図も可）を
示す。１００は高周波発振器（直流動作のときは直流パ
ルス発生器）、２は高圧電源（パルス出力）、１０はパ
ルスの幅、周期および個数制御装置、１１はパルスの振
幅制御装置、１２は電極を示す。その他の構成は第１図
と同様である。本実施例によっても、第１図の実施例と
同様の作用、効果を奏することができる。

新しい材料の創製１例えば酸化物超伝湛体は、反応室５
にガス導入袋Ｒ９から少なくとも０２ガスを導入すると
共に、例えばＢａＣ０ａ、Ｙ２Ｏ３、ＣｕＯを微粒子と
して、またはｒｆスパッタや電子ビ７ムで蒸発させて導
入し、実施例１で説明したような制御された反応プラズ
マを生成し、基板上に薄膜として作製できる。また、反
応プラズマ中のイオンを例えばＳｉ基板にドーピングし
、表面を改質することもできる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、特
許請求の範囲内で種々の変形、改良があり得ることは言
うまでもない。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、反応プラズマを
パルス的に発生させて、アクティブプラズマとアフター
グロープラズマを形成し、これらプラズマの比を印加パ
ルス電力のパルスの幅、周期、振幅および個数で組合せ
制御する、いわゆる、パルスの幅−周波数一振幅一個数
組合せ変調方式により、反応室中のイオン、ラジカル、
フォトン等の種類、密度、エネルギーおよびこれらの比
、さらにプラズマポテンシャルやシースポテンシャルを
時間的、空間的に任意に制御できるので、低電力、低温
で、デポジション、重合、酸化、窒化、エツチング、焼
結あるいは表面改質等のプラズマ反応プロセスを最適条
件で行うことができ、屈折率、応力、抵抗率、耐酸化性
、方向性、ダメージあるいは架橋性等の諸特性や、スル
ープットの向上が達成できる。さらに、超伝導体等のこ
れまで不可能であった新しい材料の創製も可能となる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の第１の実施例のプラズマ反応装置の
基本構成図、第２図（Ａ）は、従来のプラズマ反応装置
の一例の基本構成図、第２図（Ｂ）は、第２図（Ａ）に
示した従来装置のマイクロ波電力を示す図、第３図は、
本発明の反応プラズマ発生用電力の波形の一例を示す図
、第４図は、本発明の第２の実施例の基本構成図である
。１・・・マイクロ波（または高周波、またはパルス）発
振器２・・・高圧電源３・・・振幅変調器４・・・導波管５・・・反応室６・・・試料７・・・磁場コイル８・・・排気装置９・・・ガス導入装置１０・・・パルスの幅、周期および個数制御装置１１・
・・パルスの振幅制御装置１２・・・電極１００・・・高周波（またはマイクロ波、またはパルス
）発振器代理人弁理士　　中　村　純之助第１図第２図時間− 時間□

Claims

【特許請求の範囲】１、プラズマ反応処理を行うプラズマ反応装置において
、プラズマをパルス電力を用いてパルス的に生成し、少
なくともアフターグロープラズマを用いることを特徴と
するプラズマ反応装置。２、上記パルス電力のパルスの幅、周期、振幅および個
数を任意に設定する手段を具備することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載のプラズマ反応装置。３、上記プラズマを、上記パルスの幅、周期、振幅の少
なくとも１つが異なる２種類以上の上記パルス電力と、
該各パルス電力のパルスの個数との組合せにより生成す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
記載のプラズマ反応装置。４、上記パルス電力として、直流、高周波、マイクロ波
の少なくとも１つを用いることを特徴とする特許請求の
範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のプラズマ反
応装置。