JPH02253543A - プラズマ源 - Google Patents

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〕 この発明は、例えば、プラズマを用いてエツチング、膜
形成等を行うプラズマ処理装置、あるいはプラズマ中か
らイオンビームを引き出すイオン源等に用いられるプラ
ズマ源に関する。

〔従来の技術〕

第４図（Ａ）は、従来のプラズマ源を用いたプラズマ処
理装置を示す縦断面図である。

このプラズマ源２は、マイクロ波１２に対して共振器構
造を持つプラズマ発生容器４と、その外周部に設けられ
た筒状の磁気コイル６と、誘電体窓８と、導波管ＩＯと
を備えている。磁気コイル６は、同図（Ｂ）に示すよう
に、誘電体窓近傍で最大値でかつ電子サイクロトロン共
鳴（ＥＣＲ）磁界強度（２，４５ＧＨｚに対して８７５
ガウス）より若干大きく、しかもプラズマ取出し方向に
向かって減少するいわゆる発散磁界を形成する。

φはその磁力線の一例を示す。

そして、導波管１０によって導かれたマイクロ波１２を
、誘電体窓８を通してプラズマ発生容器４内に導入し、
そこで同容器４内に導入されたガスを放電分解してプラ
ズマ１４を発生させるようにしている。

更にこの例では、上記プラズマ源２のプラズマ１４を発
散磁界を用いて処理室容器１８内に輸送し、それによっ
て同容器１８内の試料２０にエツチング等の処理を施す
ようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記プラズマ源２においては次のような問題
がある。

■　プラズマ発生容器４は、共振器構造を採るためその
寸法（特に内径寸法）がマイクロ波１２の波長で決り、
大型化が困難である。そのため、プラズマ１４の大面積
化が困難である。

■　プラズマ１４を大面積化するためにプラズマ発生容
器４を大型化すると、磁気コイル６が大型化し、その発
熱量も増大し、かつ必要な電源容量も大きくなってコス
ト高となる。

■　発散磁界によるプラズマ１４の取出しのために、プ
ラズマ密度の均一性が悪い（即ち中央部はど極端に大き
くなる）、また、プラズマ１４の流れ方向が磁界の発散
に依存するため、プラズマ１４の入射角度が試料２０上
の位置によって異なる。これは特にエツチングでは問題
が大きい。

■　誘電体窓８近傍のプラズマ１４によるマイクロ波１
２の吸収が大きいため、プラズマ１４による誘電体窓８
の加熱が著しく、それによって誘電体窓８が破損する場
合もある。

■　プラズマ１４に吸収されなかったマイクロ波１２が
プラズマ発生容器４から漏れ出て試料２０を加熱する場
合もある。

そこでこの発明は、これらの点を改善したプラズマ源を
提供することを主たる目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明のプラズマ源は、マイクロ波を用いてプラズマ
を発生させるものであって、プラズマ取出し口およびそ
れにほぼ直交する面にマイクロ波導入口を有し、かつマ
イクロ波の進行方向に対して少なくともλ／２（λはマ
イクロ波の波長）の大きさを有するプラズマ発生容器と
、このプラズマ発生容器内にマイクロ波の電界成分とほ
ぼ直交する方向に電子サイクロトロン共鳴のための磁界
を発生させる第１の磁石と、プラズマ発生容器のプラズ
マ取出し口に接続されかつその接続部から離れる方向に
向かって拡がったプラズマ拡散容器と、このプラズマ拡
散容器の内壁面に沿った磁界を発生させる第２の磁石と
を備えることを特徴とする。

〔作用〕

プラズマ発生容器およびプラズマ拡散容器内を真空排気
し、かつプラズマ発生容器内にガスおよびマイクロ波を
導入すると、電子サイクロトロン共鳴によって当該プラ
ズマ発生容器内にプラズマが発生する。そしてこのプラ
ズマは、拡散によってプラズマ拡散容器内へ拡がる。

プラズマ拡散容器内では、プラズマは自由に運動するこ
とができるのでプラズマ密度の均一化が行われる。しか
もプラズマ拡散容器は拡がった構造をしているので大面
積のプラズマが得られる。

また、同容器の内壁面に沿った磁界が形成されているた
め、プラズマの損失が抑えられ、それによって高密度の
プラズマを保持することができる。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例に係るプラズマ源を用い
たプラズマ処理装置を示す縦断面図である。第２図は、
第１図の線１−１に沿う断面図である。

この実施例のプラズマ源２２は、プラズマ発生容器２４
およびプラズマ拡散容器３４を備えている。

プラズマ発生容器２４は、プラズマ拡散容器３４に接続
されるプラズマ取出し口２４ａおよびそれにほぼ直交す
る面にマイクロ波導入口２４ｂを有する。

マイクロ波導入口２４ｂには、石英ガラス、セラミック
ス等から成る誘電体窓８を介して矩形の導波管１０が接
続されており、この誘電体窓８を通してマイクロ波１２
がプラズマ発生容器２４内導入される。

プラズマ発生容器２４は、マイクロ波１２の進行方向の
距離りが少なくともλ／２（λはマイクロ波１２の波長
）の大きさを有するものであり、好ましくはλ／２の整
数倍とする。そのようにすると、プラズマ発生容器２４
内にマイクロ波１２の定在波が立ち易く、初期プラズマ
を点火し易いからである。

プラズマ発生容器２４内に導入するマイクロ波１２は、
Ｔ　Ｅ　ｌｏモードのものが好ましい、第３図に当該モ
ードの電界Ｅの分布を模式的に示す、これは、ＴＥｌ・
モードは基本モードであって一番使い易く、かつプラズ
マ発生容器２４等の大きさも一番小型化することができ
るからである。もっとも、このモードに限定されるもの
ではなく、場合によってはＴＥ、。モード等の他のモー
ドを用いても良い。

プラズマ発生容器２４の外部には、第１の磁石としてこ
の例では磁気コイル２６ａおよび磁気回路構成用の鉄心
２６ｂから成る電磁石２６を設けており、これによって
プラズマ発生容器２４内の中心付近で、電子サイクロト
ロン共鳴磁界強度（２，４５ＧＨｚのマイクロ波１２に
対して８７５ガウス）以上の直流磁界Ｍを発生させるよ
うにしている。しかもこの磁界Ｍと、導入されたマイク
ロ波１２の電界Ｅとをほぼ直交させるようにしている。

プラズマ拡散容器３４は、その一端がプラズマ発生容器
２４のプラズマ取出し口２４ａに接続されており、かつ
その接続部から離れる方向に向かって錐体状に拡がった
形状をしている。この拡がり方は、図示例のように連続
的であっても良いし、あるいは段階的であっても良い。

このプラズマ拡散容器３４の外周部には、第２の磁石と
してこの例では複数の永久磁石３６を設けており、これ
によって同容器３４の内壁面に沿った磁界Ｈを発生させ
るようにしている。この磁界Ｈは、例えば内壁面から５
〜３０ｍｍ程度の位置で５〜２０ガウス程度となるよう
にする。これはその程度で、プラズマ１４中のイオンや
電子がうまく捕捉されるからである。

更にこの例では、上記のようなプラズマ源２２のプラズ
マ拡散容器３４の開口部に処理室容器１８を接続して、
プラズマ処理装置を構成している。

処理室容器１８内には、試料２０を載せる試料台４０が
設けられており、この試料台４０には、その上に載せた
試料２０にイオンビーム１４を効率良く導くために、適
当な電位を与えるための電圧発生源を接続する。この電
圧発生源は、試料２０が良導電性の場合は直流電源で良
いが、その他の場合は、図示のような交流電源４４ある
いは直流に交流を重畳させた電源が好ましい、４２はコ
ンデンサである。

動作例を説明すると、プラズマ発生容器２４およびプラ
ズマ拡散容器３４内を例えば１０４〜１０−’Ｔ　ｏ　
ｒ　ｒ程度の適当な圧力に真空排気した後、プラズマ発
生容器２４内に、例えば図示例のように直接、またはプ
ラズマ拡散容器３４側から、所要のガスを導入して例え
ば１Ｏ−４〜１０−’Ｔ。

ｒｒ程度の範囲内で適当なガス圧に保持する。

そしてプラズマ発生容器２４内に、電磁石２６によって
上記のような磁界Ｍを発生させておいて、マイクロ波１
２を導入すると、電子サイクロトロン共鳴によってプラ
ズマ１４が発生する。

プラズマ発生容器２４内に発生したプラズマ１４は、拡
散によってプラズマ取出し口２４ａを経てプラズマ拡散
容器３４内へ拡がる。

プラズマ拡散容器３４内では、永久磁石３６の強さや配
置等によって壁面部以外で無磁界に近い状態にすること
ができる。従って、プラズマ拡散容器３４の内部ではプ
ラズマ１４は自由に運動することができる（熱運動的で
ある）ので、プラズマ密度の均一化が行われる。しかも
プラズマ拡散容器３４は拡がった構造をしているので、
大面積のプラズマ１４が得られる。

また、プラズマ拡散容器３４の内壁面に沿った磁界Ｈが
形成されているため、プラズマ１４中の荷電粒子の壁面
方向への運動が抑制され、その結果、壁面でのプラズマ
１４の損失を減少させることができる。従って、高密度
のプラズマ１４を保持することができる。

そしてこのようにして得られたプラズマ１４を試料２０
０表面へ輸送することによって、試料２０に対してエツ
チング等の処理を施すことができる、そのとき試料２０
に入射する荷電粒子のエネルギーは、試料台４０および
試料２ｏに印加するバイアス電圧によって制御すること
ができる。

上記のようなプラズマ源２２においては次のような効果
が得られる。

■　プラズマ１４の発生部と拡散部とが別にあるので、
プラズマ１４の大面積化が容易である。

■　プラズマ１４の大面積化に対してプラズマ発生容器
２４を大型化する必要が無いので、電磁石２６も小型で
済み、従ってそのための電源の省力化、発熱量の低減お
よび低コスト化が可能である。

■　プラズマ拡散容器３４内においてプラズマ１４が拡
散によって均一化されるため、密度の均一なプラズマを
得ることができる。また、従来例のようにプラズマ１４
の流れ方向が発散磁界に依存することがないので、プラ
ズマ１４の入射角度が試料２０上の位置によって異なる
という問題も起こらない。

■　誘電体窓８をプラズマ発生容器２４内におけるプラ
ズマ発生部から離して（後退させて）設置してもプラズ
マ発生に支障は無いので、それによってプラズマ１４に
よる誘電体窓８の加熱を軽減させてその破損を防ぐこと
ができる。

■　マイクロ波１２の進行方向がプラズマ１４の取出し
方向でないため、マイクロ波１２が漏れ出て試料２０等
へ悪影響を与える度合は小さい。

■　プラズマ１４の発生と取出しとが独立しているので
、プラズマ処理の最適化が容易に行える。

■　プラズマ拡散容器３４の開口部にイオンビーム引出
し用の電極を設けて当該プラズマ源２２をイオン源に使
用する場合、イオンビーム引出し方向とは逆向きに（即
ちプラズマ発生容器２４側へ）電子が加速されるが、従
来例と違ってその方向に誘電体窓８が無いので、当該逆
行電子によって誘電体窓８が加熱破損される恐れが無い
。

尚、プラズマ発生容器２４内に電子サイクロトロン共鳴
のための磁界を発生させる第１の磁石としては、上記の
ような電磁石２６の代わりに、空心コイルを用いても良
いし、永久磁石を用いても良い。

また、プラズマ拡散容器３４の内壁面に沿った磁界を発
生させる第２の磁石としては、上記のような永久磁石３
６を同容器３４内に配置しても良いし、あるいは永久磁
石３６の代わりに磁気コイルを用いても良い。

また、上記プラズマ発生容器２４、プラズマ拡散容器３
４および処理室容器１８は、必要に応じて冷却水等によ
って冷却するようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、プラズマの発生部と拡
散部とを別に設けたので、プラズマ発生容器やそこの磁
石を大型化することなく、大面積でしかも均一性の良い
プラズマを容易に得ることができる。

また、従来例と違ってプラズマの取出しが発散磁界に依
存しないので、試料等に対するプラズマの入射角を一様
にすることができる。

また、誘電体窓をプラズマ発生容器の言わば側方に配置
しているので、プラズマによる、更にはイオン源に用い
た場合の逆行電子による当該誘電体窓の加熱が抑えられ
る。

また、マイクロ波の進行方向がプラズマの取出し方向で
ないため、マイクロ波が漏れ出て試料等へ悪影響を与え
る度合が小さい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係るプラズマ源を用い
たプラズマ処理装置を示す縦断面図である。第２図は、
第１図の線Ｉ−１に沿う断面図である。第３図は、第１
図の導波管の断面図である。 第４図（Ａ）は従来のプラズマ源を用いたプラズマ処理
装置を示す縦断面図であり、同図（Ｂ）はその中心軸上
の磁束密度分布を示す図である。 ８・・・誘電体窓、１０・・・導波管、１２・・・マイ
クロ波、１４・・・プラズマ、２２・・・実施例に係る
プラズマ源、２４・・・プラズマ発生容器、２４ａ・・
・プラズマ取出し口、２４ｂ・・・マイクロ波導入口、
２６・・・電磁石（第１の磁石）、３４・・・プラズマ
拡散容器、３６・・・永久磁石（第２の磁石）。 第 図 第 図 第４図 （Ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波を用いてプラズマを発生させるもので
   あって、プラズマ取出し口およびそれにほぼ直交する面
   にマイクロ波導入口を有し、かつマイクロ波の進行方向
   に対して少なくともλ／２（λはマイクロ波の波長）の
   大きさを有するプラズマ発生容器と、このプラズマ発生
   容器内にマイクロ波の電界成分とほぼ直交する方向に電
   子サイクロトロン共鳴のための磁界を発生させる第１の
   磁石と、プラズマ発生容器のプラズマ取出し口に接続さ
   れかつその接続部から離れる方向に向かって拡がったプ
   ラズマ拡散容器と、このプラズマ拡散容器の内壁面に沿
   った磁界を発生させる第２の磁石とを備えることを特徴
   とするプラズマ源。