JPH01309300A - Microwave plasma generator - Google Patents

Microwave plasma generator

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JPH01309300A
JPH01309300A JP1038219A JP3821989A JPH01309300A JP H01309300 A JPH01309300 A JP H01309300A JP 1038219 A JP1038219 A JP 1038219A JP 3821989 A JP3821989 A JP 3821989A JP H01309300 A JPH01309300 A JP H01309300A
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plasma
microwave
gap
inner conductor
cylindrical
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Yukio Okamoto
幸雄 岡本
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Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To make it possible to generate a large dia. plasma being stable in high temp. and density efficiently by combining plasma and surface wave by a gap at a cylindrical coaxial wave guide, in microwave power by supplying large power stably without using a coaxial cable. CONSTITUTION:A microwave transmission circuit is mode-converted from an angular wave guide 40 and the like to a cylindrical coaxial wave guide 50, while a metal end plate 70, having an inner dia. opening 72 of which dia. is substantially the same as that of a cylindrical cavity 53 provided at an inner conduction body 51 around which a cylindrical outer conduction body 52 is arranged being elongated than the body 51, is set at a distance position (d) (gap) on the body spaced from an end of the body 51. A discharge pipe 80 is disposed at least through the opening 72 from the inside of cavity 53 of the body 51 and plasma is generated in the pipe 80 by use of microwave electric field generated at the gap. It is thus possible to feed large power with low loss and stability without using a coaxial cable in transmitting microwave power. Further, it is possible to generate stable large dia. plasma with high temp. and density.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、エツチングやデポジション等のプラ装置に係
り5特にこれら装置に好適なマイクロ波電力を用いたプ
ラズマ発生装置に関する。
The present invention relates to plastic equipment for etching, deposition, etc., and particularly to a plasma generating apparatus using microwave power suitable for these equipment.

【従来の技術】[Conventional technology]

従来のマイクロ波電力を用いたプラズマ発生装置につい
ては、(1)レビュー サイエンティフィック インス
ツルメント、36.3 (1965年)第294頁から
第298頁(Rev、 Sci。 Instrum、、36.3  (1965)294−
298)、(2)アイ・イー・イー・イー トランザク
ション オブ プラズマ サイエンス。 PS−3,2(1975年)第55頁から第59頁(I
 E E E  Trans、 Plasma 5ci
ence。 PS−3,2(1975)55−59)。 (3)レビュー サイエンティフィック インスツルメ
ント、39.11 (1968年)第295頁から第2
97頁(Rev、 Sci、 Instrum、。 39.11 C1968)295−297)。 (4)レビュー オブ サイエンティフィックインスツ
ルメント、41.10 (1970年)第1431から
第1433頁(Rev、 Sci。 Instrum、、41,10 (1970)1431
−1433)、および(5)ジャパニーズ ジャーナル
 オブ アプライド フィズイックス。 Vol、16. No、11 (1977年)第199
3頁から第1998頁(Jpn、 J 、 Appl、
 Phys、。 16.11 (1977)1993−1998)などに
おいて論じられている。
Regarding plasma generation devices using conventional microwave power, see (1) Review Scientific Instruments, 36.3 (1965), pp. 294 to 298 (Rev, Sci. Instrument, 36.3). (1965) 294-
298), (2) I.E.E. Transactions of Plasma Science. PS-3, 2 (1975) pp. 55-59 (I
E E E Trans, Plasma 5ci
ence. PS-3, 2 (1975) 55-59). (3) Review Scientific Instruments, 39.11 (1968) pp. 295-2
p. 97 (Rev, Sci, Instrum, 39.11 C1968) 295-297). (4) Review of Scientific Instruments, 41.10 (1970) pp. 1431-1433 (Rev, Sci. Instrum, 41,10 (1970) 1431
-1433), and (5) Japanese Journal of Applied Physics. Vol, 16. No. 11 (1977) No. 199
Pages 3 to 1998 (Jpn, J, Appl,
Phys. 16.11 (1977) 1993-1998).

【発明が解決しようとする課題】[Problem to be solved by the invention]

上記従来技術の文献(1)〜(3)は、マイクロ波電力
の伝送に同軸ケーブルを用いているため、大電力化の点
については配慮がされておらず、大電力時の安定性をは
じめプラズマの高密度化や大口径化に問題があった。一
方、上記従来技術の文献(4)〜(5)は、マイクロ波
利用率やプラズマの径方向分布などの点については充分
配慮されておらず、プラズマの生成効率やその均一性な
どに問題があった。 本発明の目的は、上記問題点を解決した、高温高密度の
安定な大口径プラズマを効率よく発生するマイクロ波プ
ラズマ発生装置を提供することにある。
The above-mentioned prior art documents (1) to (3) use coaxial cables to transmit microwave power, so they do not take into account the issue of increasing power, and they do not take into account issues such as stability at high power. There were problems with increasing the density of the plasma and increasing the diameter. On the other hand, the above-mentioned prior art documents (4) to (5) do not give sufficient consideration to aspects such as microwave utilization efficiency and radial distribution of plasma, and there are problems with plasma generation efficiency and its uniformity. there were. An object of the present invention is to provide a microwave plasma generator that solves the above problems and efficiently generates stable large-diameter plasma at high temperature and high density.

【課題を解決するための手段】[Means to solve the problem]

上記目的は、マイクロ波伝送回路を第1図(イ)に示す
如く、例えば角形導波管40から円形同軸導波管50に
モードを変換し、前記円形同軸導波管50の円筒状外導
体52を、前記円形同軸導波管50の内導体51より長
くし、前記内導体51に設けた円筒状空洞53の内径と
同程度の内径の開ロア2を有するメタルエンドプレート
70を前記円筒状外導体52に前記内導体51の先端よ
り距離dの位置(ギャップ部)に取り付け、放電管80
を少なくとも前記内導体51の円筒状空洞53内部から
前記開ロア2を通して設置し、前記ギャップ部に発生す
るマイクロ波電界(表面波)を用いて、前記放電管80
内にプラズマを生成することにより達成される。
The above purpose is to convert the mode of a microwave transmission circuit from, for example, a rectangular waveguide 40 to a circular coaxial waveguide 50, as shown in FIG. 52 is longer than the inner conductor 51 of the circular coaxial waveguide 50, and the metal end plate 70 has an open lower portion 2 with an inner diameter comparable to the inner diameter of the cylindrical cavity 53 provided in the inner conductor 51. The discharge tube 80 is attached to the outer conductor 52 at a distance d from the tip of the inner conductor 51 (gap portion).
is installed through the open lower 2 from at least inside the cylindrical cavity 53 of the inner conductor 51, and the discharge tube 80 is installed using the microwave electric field (surface wave) generated in the gap portion.
This is achieved by generating plasma within the

【作用1 すなわち、マイクロ波発振器から例えば角形導波管を経
て円形同軸導波管へのマイクロ波電力の伝送には、同軸
ケーブルを用いることなく、低損失で、大電力を安定に
プラズマに供給できる。さらに、前記メタルエンドプレ
ート70を設けると、第1図(ロ)に示すようなZ軸方
向成分Ezと半径方向成分Erとよりなる電界が、すな
わち、表面波が前記内導体51の先端と前記メタルエン
ドプレート70との間に形成される空間(ギャップ部d
)に形成されるので、前記内導体51の内部から前記開
ロア2を通して設置した放電管80の内部には高温・高
密度の安定した大口径のプラズマを低気圧から大気圧ま
で、種々のガスに対して効率よく生成することができる
。 【実施例1 以下、本発明の実施例を第1図〜第5図を用いて説明す
る。 第1図(イ)は本発明によるマイクロ波プラズマ発生装
置の立体回路の主要部構成を、同図(ロ)はマイクロ波
電界の強度分布を模式的に示す。マイクロ波電力は角形
導波管4oから少なくとも内導体51と円筒状外導体5
2とから成る円形同軸波管変換器50へ伝送され、前記
内導体51の先端に設けたギャップdで前記内導体51
の円筒状空洞53部等に設けた石英等から成る#!縁縁
故放電管80通じて表面波としてプラズマに吸収される
。ここで、前記ギャップdは、前記内導体51の先端と
前記円筒状外導体52に設けたメタルエンドプレート7
0との間の距離を示し、ネジあるいはスペーサ等によっ
て可変できるように構成されている。なお、前記メタル
エンドプレート70には、前記内導体51の円筒状空洞
53と同程度の内径を持つ開ロア2が設けてあり、必要
に応じてメタルチョーク71を第1図(イ)のように取
付け、マイクロ波の損失を低減するとよい。また、前記
内・外導体51.52の少なくとも一方を強制空冷また
水冷するとよい。ここで、前記内・外導体51.52や
前記放電管8oの径は使用目的に応じて任意に設定でき
る。さらに、マイクロ波電力を効率よく前記プラズマに
吸収させるために、通常同軸回路の特性インピーダンス
は50Ωであるので、前記同軸導波管変換器50の角形
導波管内の8面の寸法を定形サイズより小さく(薄く)
し、H面の寸法に対する比を小さくして導波管の特性イ
ンピーダンスを小さくするとともに、1/4波長変成器
を導波管の入力側に設けて同軸部の特性インピーダンス
と一致させるとよい。さらに、龍記内導体51の形状を
第5図に示すようにドアノブ形にしたり、短絡部を定形
サイズにするとともにプランジャ60(可変形)を設け
てマツチングが取れるように構成するとよい。 また、前記外導体52の外側に磁界発生器90(コイル
や永久磁石などから成る)を設け、発散型(ビーチ型)
、マルチカスプ型またはミラー型などの磁界を、電子サ
イクロトロン共鳴条件かその前後の条件で重畳して、プ
ラズマを発生させると、より容易に高温高密度(カット
オフ密度以上)のプラズマを低圧力でも得ることができ
る(もちろん印加しなくても可)。 一方、プラズマガスはH2,He、021N21Ar、
XeやCH4,SiH,、NH,、CF4゜SiF4な
ど目的に応じて選定し、10−’Torr〜760 T
orrの範囲で動作させる。なお、放電管80への試料
ガスの導入は例えば、第1図(イ)に示すような管端か
ら導入するとよいが、特に限定するものではなく、目的
に応じて決めるとよい。 第1図(ロ)は前記ギャップ6部の空間に於ける電界強
度分布の径方向成分ErとZ軸(マイクロ波進行方向)
方向成分Ezとを示す。このプラズマ装置の特徴は、電
界がErと成分Ez酸成分が共存するとともに、Z軸上
の成分が両者とも弱く、一方、外側は強くなる表面波と
なり、これら慾 と試料ガス粒子の拡散現象との相、傑作用により低圧力
では径方向に均一なプラズマが得られるよう作用する。 また、高圧力では第4図および第5図におけるように、
ドーナツ状のプラズマが得られ。 目的に応じて圧力を選定する。 第2図は第1図(イ)に示したマイクロ波プラズマ発生
装置をエツチングやデポジション、さらには新素材創製
などのためのプラズマ反応装置に適用した1本発明の別
の第2実施例のブロック図を示す。ここで、10は高圧
電源(直流またはパルス)、20はマイクロ発振器(マ
グネトロンやジャイロトロン、1〜1OOGHz、10
〜5.0OOW)、30はアイソレータ(またはユニラ
イン)、40は立体回路(方向性結合器、電力計、E−
Hチューナなどで構成)、50は同軸導波管変換器、5
1は内導体、52は円筒状外24体、60はプランジャ
、70はメタルエンドプレート、80は放電管、90は
磁界発生器(なくても可)、100は排気袋ffi、1
10はプラズマガス(Ar、He、02など)導入器、
1.20は反応ガス(CH,、NH,、CF、、SiF
、、02など)加熱器などから成る)、160は反応微
粒子(たとえば高温超電導薄膜の形成のときにはたとえ
ばBaC0,+Y20.+CuOなどを電子ビームなど
で蒸発させて導入)導入装置、170は′B、贋分析器
、180は分光器、190はデータの1′:i理をはじ
め各機器を自動制御(最適化)するためのマイクロコン
ピュータを示す。この実施例では、前述したギャップ部
dが前記メタルエンドプレート70をネジあるいはスペ
ーサ等によって調整することにより可変できるように構
成されている。また、前記内導体51の径は前記同軸変
換器50部で太くなっている(ドアノブ形)。 このように構成すると1例えば酸化物高温超伝導薄膜の
作成の時、低圧力(10−’Torr以下)でプラズマ
ガスである酸素(o2)をイオン化でき、この時発生す
る低エネルギーの酸素のラジカルやイオンと反応微粒子
として導入した、例えばBa、Y、C:uの金属原子と
が物理的化学的に反応して試料台140上の基板にマイ
クロコンピュータ190で最適化しながら、良質の膜を
低温かつ短時間で作製することができる。 第3図は本発明の別の第3実施例を示す。この実施例は
、プラズマからイオンや中性粒子を引き出し、材料の表
面改質や処理を行う装置を示す。 ここで、50は円形同軸導波管、51は内導体、52は
円筒状外導体、60はプランジャ、70はメタルエンド
プレート(種々の変形が可能)、71はメタルチョーク
、80は放電管、90は磁界発生器(なくても可)、1
00は排気装置、110は試料ガスやキャリアガスなど
の導入器、120は試料ガスや反応ガスなどの導入器、
130は反応室、140は試料台、150は温度制御装
置、180は分光器、200はイオン引出し器を示す。 なお、イオン引出し器200は電子または中性粒子(原
子やラジカル)取り出し器として構成することもできる
。 このように構成すると、大口径で均一な高密度の試料ガ
スやキャリアガスのプラズマが生成できる。そして、例
えば前記イオン引出し器200を用いて、前記プラズマ
から大口径で均一な高密度のイオンビームを取出し、前
記試料台140にセットした基板の表面処理や表面改質
を短時間かつ低温で行うことができる。 また、前記イオンビームでターゲットをスパッタし、前
記基板にターゲット材料をデポジットすることもできる
。さらに、前記中性粒子を用いても表面処理などができ
る。 第4図は生体分野等の微量元素の分析等に応用した本発
明の第4の実施例の基本構成を示す。ここで、300は
マイクロ波発生系で、マグネ1〜ロンなどのマイクロ波
発振器や高圧電源、マイクロ波電力計、 E−H(また
はスタブ)チューナなどから成る。400はマイク波プ
ラズマ発生系で。 第1図(イ)を基本として、第5図に示すような円形同
軸導波管、内側導体、メタルエンドプレート、放電管な
どから成る。500は試料ガス等導入系で、試料、キャ
リアガス、ネプライザなどから構成される。600は測
定・分析系で、分光器や質量分析器などから成る。70
0は制御系でマイクロコンピュータなどから成る。70
0は制御系でマイクロコンピュータなどから成り、デー
タの整理や本装置の最適制御などを行う。本実施例での
動作圧力は、大電力を安定に供給できることから、大気
圧を基本とし、放電管等の直径も前記第2および第3の
実施例に比べ小さくてよい。 第5図は本発明の第4図に示した実施例におけるプラズ
マ発生系400の一実施例の詳細を示す。 ここで、50は銅やアルミニウムなどから成る扁平型の
4波管(内寸: 8.6DIIllX 109.2nu
nX84−mm)に形成した同軸導波管変換器、51は
銅などから成る内導体(同軸変換部で形状は例えば同図
のように円錐台(例えば底部直径40mm、上部直径1
5mm、高さ30−から成る)で、その軸上部には放電
管80を通すための円筒状空洞53(直径例えば4〜1
2mff1)が設けである。52は銅などから成る円筒
形外導体で、銅などから成る円盤状のエンドプレート7
0が取付けである。前記エンドプレート70には、前記
内導体51に設けた前記円筒状空洞53の内径とほぼ等
しい内径の開ロア2が設けてあり、その周囲の厚さはそ
の外周部より同心状に薄くしである(厚さ≧0.11I
I11)。さらに、前記内導体51の先端部と前記エン
ドプレート70とのギャップd  (0,5〜20mm
)は調整できるように構成しである。80は石英などか
ら成る放電管(内径:例えば4〜10句 nm)で、その一端は開放するとともに、その他端は径
方向からプラズマガス501 (He、N、。 Arなど)が供給できるように枝管81が設けである。 また、前記放電管80の他端部からは同軸状に石英など
から成る内管82を設け、その一端からはネプライザ(
図示せず)などを経て試料とともにキャリアガス(前記
プラズマガス501と同種)など500を導入する。5
10は前記放電管80や内導体51などを冷却するため
の冷却系で、冷却剤入口511から冷却剤502(例え
ば、空気、水でも可。このときは水の出口を設け、前記
内導体51と前記放電管80を冷却するように構成する
。)を供給する。このように構成すると、前記放電管8
0をはじめ前記内導体51や前記メタルエンドプレート
70を効率よく冷却することができる。9+00は拡散
プラズマ、’7)01はドーナツ状高温プラズマを示す
。なお、前記放電管8oや前記内導体51などの形状や
大きさは限定するものではないに のように構成すると、前記同軸導波管変換器5oに供給
したマイクロ波電力(例えば、2.45GHz、≦2K
W)は、前記内導体51と前記メタルエンドプレート7
0のギャップ8部に集中し、第1図(ロ)に示すような
電界分布が得られる。このため、前記枝管81より導入
したプラズマガス501はイオン化され、ドーナツ状の
高温のプラズマ%01を前記放電管8oの内部に発生す
る。そして、分析すべき前記試料など500を前記内管
82から前記ドーナツ状高温プラズマ−01の中心部に
導入すると、試料は周辺部に拡散することなく、効率よ
く原子化→励起化→イオン化を生ずる。このとき発生す
る光を前記分光器600に、またイオンはイオンサンプ
リングインタフェース系(図示せず)を経て前記質量分
析器600に導入すると、高周波(例えば27 M H
z )誘導プラズマを用いる場合に比べても、高感度で
定量分析を行うことができる。なお、試料としては溶液
でも直接分析でき、さらに、有機物やハロゲンなど特に
制限はない。また、プラズマガスもHe 、 N2. 
A rなどを用いることができ、特に制限はない。 その他、本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、全て
のプラズマを用いる装置を適用することができる。また
、パルス的にプラズマを発生させることもできる。 【発明の効果】 本発明によれば、マイクロ波電力を円形同軸導波管に設
けた前記ギャップdでプラズマと表面波とを結合させる
ため、同軸ケーブルを用いることなく大電力で安定に供
給でき、しかも効率よくプラズマに吸収させることがで
きるので、低圧力(10””Torr程度)から高圧力
(大気圧)まで広範囲に、高温・高密度のプラズマを種
々のガスについて目的に応じて生成できる効果がある。 さらに、外部磁界を重畳することにより、カットオフ密
度以上の高密度プラズマを種々のガスについて生成する
ことができる。 したがって、本発明のプラズマはエツチングやデポジシ
ョンをはじめ新しい材料の創製や表面加工・改質などに
応用でき、さらに元素分析などにおける発光やイオン源
等として幅広く用いることのできる利点がある。
[Effect 1] In other words, for example, to transmit microwave power from a microwave oscillator to a circular coaxial waveguide via a rectangular waveguide, high power is stably supplied to the plasma with low loss without using a coaxial cable. can. Furthermore, when the metal end plate 70 is provided, an electric field consisting of a Z-axis direction component Ez and a radial direction component Er as shown in FIG. The space formed between the metal end plate 70 (gap portion d
), the inside of the discharge tube 80 installed from the inside of the inner conductor 51 through the open lower 2 is filled with high temperature, high density, stable large diameter plasma, and various gases from low pressure to atmospheric pressure. can be generated efficiently. Example 1 An example of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. 1(a) schematically shows the main part configuration of the three-dimensional circuit of the microwave plasma generator according to the present invention, and FIG. 1(b) schematically shows the intensity distribution of the microwave electric field. Microwave power is transmitted from the rectangular waveguide 4o to at least the inner conductor 51 and the cylindrical outer conductor 5.
2, and a gap d provided at the tip of the inner conductor 51 causes the inner conductor 51 to
#! made of quartz etc. provided in 53 parts of the cylindrical cavity etc. It is absorbed by the plasma as a surface wave through the edge discharge tube 80. Here, the gap d is the metal end plate 7 provided between the tip of the inner conductor 51 and the cylindrical outer conductor 52.
0 and is configured to be variable using screws, spacers, etc. The metal end plate 70 is provided with an open lower portion 2 having an inner diameter comparable to that of the cylindrical cavity 53 of the inner conductor 51, and the metal choke 71 can be inserted as shown in FIG. It is recommended that the microwave be installed in the microwave to reduce microwave loss. Further, it is preferable that at least one of the inner and outer conductors 51 and 52 is forcedly air-cooled or water-cooled. Here, the diameters of the inner and outer conductors 51 and 52 and the discharge tube 8o can be arbitrarily set depending on the purpose of use. Furthermore, in order to efficiently absorb microwave power into the plasma, the characteristic impedance of a coaxial circuit is usually 50Ω, so the dimensions of the eight surfaces in the rectangular waveguide of the coaxial waveguide converter 50 are set from the standard size. small (thin)
However, it is preferable to reduce the ratio of the H-plane to the dimension to reduce the characteristic impedance of the waveguide, and to provide a 1/4 wavelength transformer on the input side of the waveguide to match the characteristic impedance of the coaxial section. Further, it is preferable to make the shape of the inner conductor 51 into a doorknob shape as shown in FIG. 5, or to make the short circuit part a regular size and provide a plunger 60 (variable type) so that matching can be achieved. Further, a magnetic field generator 90 (consisting of a coil, a permanent magnet, etc.) is provided outside the outer conductor 52, and a divergent type (beech type)
If plasma is generated by superimposing magnetic fields such as , multicusp type or mirror type under electron cyclotron resonance conditions or conditions around it, it is easier to obtain high temperature, high density (above the cutoff density) plasma even at low pressure. (Of course, it is possible to do so without applying any voltage.) On the other hand, plasma gases include H2, He, 021N21Ar,
Select Xe, CH4, SiH, NH, CF4゜SiF4 according to the purpose, 10-'Torr~760T
Operate within the range of orr. The sample gas may be introduced into the discharge tube 80, for example, from the tube end as shown in FIG. 1(A), but this is not particularly limited and may be determined depending on the purpose. Figure 1 (b) shows the radial component Er of the electric field strength distribution in the space of the gap 6 and the Z axis (microwave propagation direction).
directional component Ez. The characteristics of this plasma device are that the electric field is a surface wave in which Er and component Ez acid components coexist, and the components on the Z axis are both weak, while the outside becomes stronger, and these desires and the diffusion phenomenon of sample gas particles. phase, which acts to obtain a radially uniform plasma at low pressures. Also, at high pressures, as shown in Figures 4 and 5,
Donut-shaped plasma is obtained. Select the pressure depending on the purpose. Figure 2 shows another second embodiment of the present invention in which the microwave plasma generator shown in Figure 1 (a) is applied to a plasma reaction apparatus for etching, deposition, and the creation of new materials. A block diagram is shown. Here, 10 is a high voltage power supply (DC or pulse), 20 is a micro oscillator (magnetron or gyrotron, 1 to 100 GHz, 10
~5.0OOOW), 30 is an isolator (or uniline), 40 is a three-dimensional circuit (directional coupler, wattmeter, E-
H tuner etc.), 50 is a coaxial waveguide converter, 5
1 is an inner conductor, 52 is a cylindrical outer 24 body, 60 is a plunger, 70 is a metal end plate, 80 is a discharge tube, 90 is a magnetic field generator (optional), 100 is an exhaust bag ffi, 1
10 is a plasma gas (Ar, He, 02, etc.) introducer;
1.20 is the reaction gas (CH,, NH,, CF,, SiF
. A counterfeit analyzer, 180 a spectrometer, and 190 a microcomputer for automatically controlling (optimizing) each device including data 1':i processing. In this embodiment, the above-described gap portion d is configured to be variable by adjusting the metal end plate 70 using screws, spacers, or the like. Further, the diameter of the inner conductor 51 becomes thicker at the coaxial converter 50 portion (doorknob shape). With this configuration, 1. For example, when creating an oxide high-temperature superconducting thin film, oxygen (O2), which is a plasma gas, can be ionized at low pressure (10-'Torr or less), and the low-energy oxygen radicals generated at this time can be ionized. The metal atoms, for example, Ba, Y, C:u, introduced as reaction particles react physically and chemically with the metal atoms introduced as reaction particles, and a high-quality film is formed on the substrate on the sample stage 140 at a low temperature while being optimized by the microcomputer 190. Moreover, it can be produced in a short time. FIG. 3 shows another third embodiment of the invention. This embodiment shows an apparatus that extracts ions and neutral particles from plasma and performs surface modification and treatment of materials. Here, 50 is a circular coaxial waveguide, 51 is an inner conductor, 52 is a cylindrical outer conductor, 60 is a plunger, 70 is a metal end plate (various modifications are possible), 71 is a metal choke, 80 is a discharge tube, 90 is a magnetic field generator (optional), 1
00 is an exhaust device, 110 is an introduction device for sample gas, carrier gas, etc., 120 is an introduction device for sample gas, reaction gas, etc.
130 is a reaction chamber, 140 is a sample stage, 150 is a temperature controller, 180 is a spectrometer, and 200 is an ion extractor. Note that the ion extractor 200 can also be configured as an electron or neutral particle (atom or radical) extractor. With this configuration, a large-diameter, uniform, and high-density sample gas or carrier gas plasma can be generated. Then, for example, using the ion extractor 200, a large-diameter, uniform, high-density ion beam is extracted from the plasma, and the surface treatment or surface modification of the substrate set on the sample stage 140 is performed in a short time and at low temperature. be able to. It is also possible to sputter a target with the ion beam and deposit target material onto the substrate. Furthermore, surface treatment etc. can be performed using the above-mentioned neutral particles. FIG. 4 shows the basic configuration of a fourth embodiment of the present invention applied to the analysis of trace elements in the biological field and the like. Here, 300 is a microwave generation system, which includes a microwave oscillator such as Magne 1 to Ron, a high voltage power supply, a microwave power meter, an E-H (or stub) tuner, and the like. 400 is a microwave plasma generation system. Based on FIG. 1(a), it consists of a circular coaxial waveguide, an inner conductor, a metal end plate, a discharge tube, etc. as shown in FIG. Reference numeral 500 denotes a sample gas introduction system, which includes a sample, a carrier gas, a nebulizer, and the like. 600 is a measurement/analysis system, which includes a spectrometer, a mass spectrometer, and the like. 70
0 is a control system consisting of a microcomputer, etc. 70
0 is a control system consisting of a microcomputer, etc., and performs data organization and optimal control of this device. The operating pressure in this embodiment is basically atmospheric pressure since a large amount of power can be stably supplied, and the diameter of the discharge tube etc. may be smaller than in the second and third embodiments. FIG. 5 shows details of an embodiment of the plasma generation system 400 in the embodiment shown in FIG. 4 of the present invention. Here, 50 is a flat 4-wave tube made of copper or aluminum (inner dimensions: 8.6DIIllX 109.2nu
51 is an inner conductor made of copper or the like (the coaxial converting part is shaped like a truncated cone (for example, the bottom diameter is 40 mm, the top diameter is 1 mm) as shown in the figure.
5 mm, height 30 mm), and the upper part of the shaft has a cylindrical cavity 53 (diameter, e.g. 4 to 1 mm) for passing the discharge tube 80.
2mff1) is provided. Reference numeral 52 denotes a cylindrical outer conductor made of copper or the like, and a disc-shaped end plate 7 made of copper or the like.
0 is installation. The end plate 70 is provided with an open lower portion 2 having an inner diameter approximately equal to the inner diameter of the cylindrical cavity 53 provided in the inner conductor 51, and the thickness of the periphery thereof is concentrically thinner than that of the outer periphery. Yes (thickness ≧0.11I
I11). Furthermore, a gap d (0.5 to 20 mm) between the tip of the inner conductor 51 and the end plate 70
) is configured to be adjustable. Reference numeral 80 denotes a discharge tube (inner diameter: e.g. 4 to 10 nm) made of quartz or the like, one end of which is open, and the other end so that plasma gas 501 (He, N, Ar, etc.) can be supplied from the radial direction. A branch pipe 81 is provided. Further, an inner tube 82 made of quartz or the like is provided coaxially from the other end of the discharge tube 80, and a nebulizer (
A carrier gas (same type as the plasma gas 501) or the like 500 is introduced together with the sample through a gas (not shown). 5
Reference numeral 10 denotes a cooling system for cooling the discharge tube 80, the inner conductor 51, etc., and a coolant 502 (for example, air or water may be used. In this case, a water outlet is provided, and the inner conductor 51 and a configuration configured to cool the discharge tube 80). With this configuration, the discharge tube 8
0, the inner conductor 51, and the metal end plate 70 can be efficiently cooled. 9+00 indicates diffused plasma, and '7)01 indicates donut-shaped high temperature plasma. Note that the shape and size of the discharge tube 8o and the inner conductor 51 are not limited. ,≦2K
W) is the inner conductor 51 and the metal end plate 7.
The electric field is concentrated in the 8th part of the gap 0, and an electric field distribution as shown in FIG. 1(b) is obtained. Therefore, the plasma gas 501 introduced from the branch pipe 81 is ionized, and a doughnut-shaped high-temperature plasma %01 is generated inside the discharge tube 8o. When the sample 500 to be analyzed is introduced from the inner tube 82 into the center of the doughnut-shaped high temperature plasma-01, the sample efficiently undergoes atomization → excitation → ionization without diffusing to the periphery. . When the light generated at this time is introduced into the spectrometer 600 and the ions are introduced into the mass spectrometer 600 via an ion sampling interface system (not shown), high frequency (for example, 27 MH
z) Quantitative analysis can be performed with higher sensitivity than when using induced plasma. Note that a solution can also be directly analyzed as a sample, and there are no particular restrictions on the sample, including organic substances and halogens. In addition, the plasma gas also includes He, N2.
Ar, etc. can be used, and there are no particular limitations. In addition, the microwave plasma generation device of the present invention can be applied to any device using plasma. Further, plasma can also be generated in a pulsed manner. [Effects of the Invention] According to the present invention, since microwave power is coupled between the plasma and the surface wave in the gap d provided in the circular coaxial waveguide, a large power can be stably supplied without using a coaxial cable. Moreover, since it can be efficiently absorbed into plasma, high-temperature, high-density plasma can be generated for various gases depending on the purpose, over a wide range from low pressure (about 10'' Torr) to high pressure (atmospheric pressure). effective. Furthermore, by superimposing an external magnetic field, high-density plasma with a cutoff density or higher can be generated for various gases. Therefore, the plasma of the present invention has the advantage that it can be applied to etching, deposition, creation of new materials, surface processing and modification, etc., and can also be widely used as a light emission source, ion source, etc. in elemental analysis.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図(イ)は本発明によるマイクロ波プラズマ発生装
置の主要構成図、同図(ロ)はそのギャップ部における
電界強度分布図、第2図は本発明のプラズマ反応装置へ
の応用を示す実施例の構成図、第3図は本発明のイオン
源およびそのプロセスへの応用を示す実施例の構成図、
第4図は本発明の分析機器への応用を示す実施例のブロ
ック図、第5図は第4図におけるマイクロ波プラズマ発
生系400の詳細を示す構成図である。 10・・・高圧電源、20・・・マイクロ波発振器、5
o・・・円形同軸導波管、51・・・円筒状内導体、5
2・・・円筒形外導体、70・・・メタルエンドプレー
ト、71・・・メタルチョーク、80・・・放電管、9
0・・・磁界発生器、100・・・排気装置、110・
・・ガス導入器、120・・・反応ガス導入器。 130・・・反応室、140・・・試料台、190・・
・マイクロコンピュータ、200・・・イオン引出器、
300・・・マイクロ波発生系、400・・・マイクロ
波プラズマ発生系、500・・・ガス導入系、600・
・・測定分析系、′7)O#・・・ドーナツ状プラズマ
。 Q力゛入ぜ入 (q −ヘ へ ((〜 ら N気 ト % 筑ち (ヘ ベ l+ ζ \ 〜 ?ρρ 、11% :  マイ70;反発生木 グρρ : マイ7り2艷フ0ラスZ季(1迷fρρ 
: 言ベオ干1\ス羊洋入不
Figure 1 (A) shows the main configuration of the microwave plasma generator according to the present invention, Figure 1 (B) shows the electric field strength distribution in the gap, and Figure 2 shows the application of the present invention to a plasma reactor. Fig. 3 is a block diagram of an embodiment showing an ion source of the present invention and its application to a process;
FIG. 4 is a block diagram of an embodiment showing the application of the present invention to an analytical instrument, and FIG. 5 is a block diagram showing details of the microwave plasma generation system 400 in FIG. 4. 10... High voltage power supply, 20... Microwave oscillator, 5
o... Circular coaxial waveguide, 51... Cylindrical inner conductor, 5
2... Cylindrical outer conductor, 70... Metal end plate, 71... Metal choke, 80... Discharge tube, 9
0... Magnetic field generator, 100... Exhaust device, 110.
...Gas introduction device, 120...Reaction gas introduction device. 130...Reaction chamber, 140...Sample stage, 190...
・Microcomputer, 200...Ion extractor,
300...Microwave generation system, 400...Microwave plasma generation system, 500...Gas introduction system, 600...
...Measurement and analysis system, '7) O#...Doughnut-shaped plasma. Q force ゛ insertion (q −he hehe (~raNki to % Chikuchi (heber l + ζ \ ~ ?ρρ, 11%: My 70; anti-generation tree ρρ: My 7ri 2 艷fu 0 Last Z season (1st doubt fρρ
: Kotobeo dried 1 \ soup sheep Western dish not included

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、一端からマイクロ波電力を導入するための、円筒状
外導体と円筒状空洞を有する内導体とからなる円形同軸
導波管と、上記円形同軸導波管の他端において上記円筒
状外導体の先端部に設けられ、かつ上記内導体の上記円
筒状空洞の内径と同程度の内径の開口を有するメタルエ
ンドプレートと、上記内導体を上記円筒状外導体より短
くすることによって上記内導体の先端と上記メタルエン
ドプレートとの間に形成されたギャップ部と、上記ギャ
ップ部で発生したマイクロ波電界によってプラズマ化す
べき物質のプラズマを形成するため上記内導体の上記円
筒状空洞の内部から上記ギャップ部および上記開口を通
して設けられた放電管とを備えてなるマイクロ波プラズ
マ発生装置。 2、上記ギャップ部のギャップ長が可変され得る第1項
のマイクロ波プラズマ発生装置。 3、上記放電管が上記プラズマ化すべき物質を導入する
ための導入口と上記プラズマを利用するための開口とを
備える第1項あるいは第2項のマイクロ波プラズマ発生
装置。 4、上記マイクロ波電界に外部磁界を重畳させるため上
記ギャップ部の周囲に設けられた磁界印加手段を備える
第1項から第3項までのいずれか1つの項のマイクロ波
プラズマ発生装置。
[Claims] 1. A circular coaxial waveguide consisting of a cylindrical outer conductor and an inner conductor having a cylindrical cavity, for introducing microwave power from one end, and the other end of the circular coaxial waveguide. a metal end plate provided at the tip of the cylindrical outer conductor and having an opening with an inner diameter comparable to the inner diameter of the cylindrical cavity of the inner conductor; and the inner conductor is shorter than the cylindrical outer conductor. The gap formed between the tip of the inner conductor and the metal end plate, and the cylindrical shape of the inner conductor in order to form plasma of the substance to be turned into plasma by the microwave electric field generated in the gap. A microwave plasma generation device comprising a discharge tube provided from inside a cavity through the gap portion and the opening. 2. The microwave plasma generator according to item 1, in which the gap length of the gap portion can be varied. 3. The microwave plasma generator according to item 1 or 2, wherein the discharge tube includes an inlet for introducing the substance to be turned into plasma and an opening for utilizing the plasma. 4. The microwave plasma generation device according to any one of items 1 to 3, including a magnetic field applying means provided around the gap portion to superimpose an external magnetic field on the microwave electric field.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0766284A1 (en) * 1995-09-29 1997-04-02 Hitachi, Ltd. Analyser and analysing method using plasma, and interface and sample introducing component used for the same
US6031379A (en) * 1995-10-19 2000-02-29 Seiko Instruments, Inc. Plasma ion mass analyzing apparatus
JP2003069351A (en) * 2001-08-29 2003-03-07 Yokogawa Analytical Systems Inc High frequency amplifier circuit and drive method of the high frequency amplifier circuit
US6541769B1 (en) 1999-09-14 2003-04-01 Hitachi, Ltd. Mass spectrometer
WO2005079124A1 (en) * 2004-02-17 2005-08-25 Nu Eco Engineering Co., Ltd. Plasma producing device

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0766284A1 (en) * 1995-09-29 1997-04-02 Hitachi, Ltd. Analyser and analysing method using plasma, and interface and sample introducing component used for the same
US5763877A (en) * 1995-09-29 1998-06-09 Hitachi, Ltd. Analyzer using plasma and analysis method using plasma, interface used for the same and sample introducing component used for the same
US6031379A (en) * 1995-10-19 2000-02-29 Seiko Instruments, Inc. Plasma ion mass analyzing apparatus
US6541769B1 (en) 1999-09-14 2003-04-01 Hitachi, Ltd. Mass spectrometer
JP2003069351A (en) * 2001-08-29 2003-03-07 Yokogawa Analytical Systems Inc High frequency amplifier circuit and drive method of the high frequency amplifier circuit
WO2005079124A1 (en) * 2004-02-17 2005-08-25 Nu Eco Engineering Co., Ltd. Plasma producing device

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