JPH07130492A - プラズマ製造方法及び装置 - Google Patents

プラズマ製造方法及び装置

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JPH07130492A
JPH07130492A JP5275174A JP27517493A JPH07130492A JP H07130492 A JPH07130492 A JP H07130492A JP 5275174 A JP5275174 A JP 5275174A JP 27517493 A JP27517493 A JP 27517493A JP H07130492 A JPH07130492 A JP H07130492A
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JP
Japan
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cavity resonator
plasma
coil
microwave
discharge
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP5275174A
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English (en)
Inventor
Tetsuya Ikeda
哲哉 池田
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 円筒型空胴共振器内でマイクロ波電磁界モー
ドの中からダイヤモンド薄膜などに適するプラズマを製
造することのできる進行波型のマイクロ波電界モードを
用いて試料ガスを均一に放電励起させることを目的とす
る。 【構成】 マイクロ波発振器から出力されたマイクロ波
を円筒型空胴共振器1中に導入し、その内部に導入した
電界によって試料ガスを放電させるプラズマ装置におい
て、円筒型空胴共振器1内部にマイクロ波をカップリン
グするコイル12を設置とすることにより、円筒型空胴
共振器1内の試料ガス全体を放電励起させてプラズマを
製造するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造のた
めのCVD(Chemical Vapor Deposition)装置、エッチ
ング装置、スパッタリング装置等として用いられるマイ
クロ波領域の電磁波によるプラズマ製造方法及び装置に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】マイクロ波を利用した従来のプラズマ製
造方法を用いたダイヤモンド薄膜製造装置を図6を参照
して説明する。
【0003】図6は従来のプラズマ製造装置の構成を示
す正面図である。同図に示すように、矩型導波管4を介
してマイクロ波発振器3に連結する円筒型空胴共振器1
の上面、下面にはスリーブ9が貫通して夫々設けられ、
これらスリーブ9を通じて放電管2が円筒型空胴共振器
1の内部に挿入・設置されている。
【0004】放電管2の内部には、基板6としてシリコ
ンウェハー及び基板ホルダー7が設置され、その上端は
試料ガス供給源5に接続される一方、その下端は排気管
8に接続している。試料ガス供給源5から放電管2内へ
試料ガスとして水素及びメタンの混合ガス(圧力20To
rr、流量30ml/min)が供給される。
【0005】従って、マイクロ波発振器3から出力され
たマイクロ波が矩型導波管4を伝播して円筒型空胴共振
器1内に導入されると、放電管2内の試料ガスがマイク
ロ波の電界によりプラズマとなる。これによってメタン
及び水素が反応性の高いラジカルに放電励起される。こ
のようにして生成したプラズマによりダイヤモンドの合
成反応がおこり、基板6上にダイヤモンド粒子が析出す
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述したようにマイク
ロ波を封入した円筒型空胴共振器1内を使った場合種々
のガスでプラズマを製造することは可能であるが、円筒
型空胴共振器1内に存在する誘電体による共振周波数の
ずれにより、通常の円筒型空胴共振器1内で形成しうる
マイクロ波の定在波にはTMあるいはTEモード(Tran
sverse ElectricMode)のあることが知られているよう
に多数のモードが混在する。
【0007】従って、放電に作用するマイクロ波の電磁
界が複雑多岐な波動となるためマイクロ波電界強度は放
電管軸方向に一定とならない。更に、プラズマ中に薄膜
形成用に金属基板を置く場合、電界方向に金属面が垂直
になるようにしかマイクロ波の電界が形成しにくくなる
など、放電に使用する電界モードが複雑であればあるほ
ど製造するプラズマの特性が安定しなくなる。
【0008】この為、従来技術では基板付近で電界が複
雑に乱れることと使用するマイクロ波電界のモードが複
雑であるために、矩型導波管4内にプランジャーを取り
付けて電界を微妙に制御しなければならないという欠点
がある。
【0009】円筒型空胴共振器1を用いる場合、放電管
2の軸方向とマイクロ波の電界方向を同一とするとき、
マイクロ波の電磁界モードはTMモードとなるが、マイ
クロ波発振器3と円筒型空胴共振器1の内径寸法により
TM01nあるいはTE11n等の高次モードが発生する。
【0010】この場合の放電の分布はマイクロ波の高次
モードによる部分的な放電となり、放電管内の空間を全
てプラズマ製造に利用できないという欠点がある。
【0011】マイクロ波の電磁界モードにおいて、円筒
型空胴共振器1の内径をTMモードの遮断波長に合わせ
ることによって、放電管軸方向の電界分布が均一となる
TM 010モードを形成する方法があるが、プラズマ製造
の場合については放電管の挿入及び放電プラズマの発生
により、誘電率が変化することからTM010モードの共
振周波数がマイクロ波発振器の発振周波数からはずれる
ため、円筒型空胴共振器1の内径をTMモードの遮断波
長に合わせるだけでは均一な放電を得られないという欠
点がある。
【0012】更に、放電管内部に設置する基板、試料台
等の形状及び位置も共振周波数を大きくずらす要因とな
るが、この効果を予め推測することは困難であり、基板
等を全く同じものを使わなければ結果の再現性は得られ
ないという欠点がある。
【0013】また、ダイヤモンド薄膜製造装置は上記の
ように構成されているので、均一なダイヤモンド薄膜を
得るためには大容量の低温プラズマを発生させる必要か
ら必然的に円筒型空胴共振器長を長くしなければならな
い。この場合、TM010モードの共振周波数は変化しな
いが、円筒型空胴共振器1を長くするほど、短波長のマ
イクロ波の電磁界モードが内部に共存可能となる。すな
わち、高次のモードの共振周波数が当該TM010モード
のそれに接近するため、電界分布が軸方向に不均一とな
り、それによって発生する放電にむらが生じる。
【0014】このため、円筒型空胴共振器の長さをうま
く選ばなければ、放電管内全体に均一なプラズマを製造
できないという欠点がある。
【0015】更に、放電が放電管軸方向に不均一な状態
でプラズマを製造した場合、同じ放電領域を直流放電で
放電励起で得たプラズマよりも温度が高くなり、ダイヤ
モンド薄膜形成に必要な電子温度数eVよりもはるかに
高くなるという欠点がある。
【0016】本発明は上記従来技術に鑑みなされたもの
で、円筒型空胴共振器内でマイクロ波電磁界モードの中
からダイヤモンド薄膜などに適するプラズマを製造する
ことのできる進行波型のマイクロ波電界モードを用いて
試料ガスを均一に放電励起させることができるプラズマ
の製造方法及びプラズマ製造装置を提供することを目的
とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成する本
発明の構成はマイクロ波発振器から出力されたマイクロ
波を円筒型空胴共振器中に導入し、その内部に導入した
電界によって試料ガスを放電させるプラズマ装置におい
て、円筒型空胴共振器内部にマイクロ波をカップリング
するコイルを設置とすることにより、円筒型空胴共振器
内の試料ガス全体を放電励起させてプラズマを製造する
ことを特徴とする。
【0018】更に、円筒型空胴共振器内部に設置するコ
イルの数を増減させることによって薄膜を成長させる基
板等の挿入による電界強度の低下を抑制する。
【0019】
【作用】上記した円筒型空胴共振器を用いて、放電の局
在化及びそれによる放電プラズマの温度の上昇を抑制
し、放電管内の全ての試料ガス媒質の放電励起及びプラ
ズマ温度の設定を行ったプラズマの製造ができる。ま
た、外部からのマイクロ波を円筒型空胴共振器内にカッ
プリングするコイルを放電空間に近接させて設置できる
ことから負荷となる放電プラズマの変動に応じたマイク
ロ波エネルギーの供給が可能である。
【0020】
【実施例】本発明のプラズマ製造法によるダイヤモンド
薄膜の製造例についての実施例を図1〜図5、表1及び
表2を参照して説明する。
【0021】本発明の一実施例を、図1に示す。本実施
例は、マイクロ波放電用空胴共振器として円筒型空胴共
振器を用いるものである。
【0022】同図に示すように、円筒型空胴共振器1
(内径90mm、長さ100mm)の上面及び下面にスリー
ブ9が貫通して夫々設けられ、これらスリーブ9を通じ
て放電管2が円筒型空胴共振器1の内部に挿入・設置さ
れている。放電管2の内部には、ダイヤモンド薄膜を成
膜させるための基板6としてシリコンウェハー及び基板
ホルダー7が設置され、放電管2の外周面にはコイル1
2が巻き付けられている。放電管2には、前述した従来
技術と同様に、試料ガスとして水素及びメタンの混合ガ
スが供給される。
【0023】円筒型空胴共振器1は、同軸導波管14を
介して、図示しないマイクロ波発振器と連結されてい
る。同軸導波管14は、外導体10内に内導体11を同
軸に配置したものであり、マイクロ波発振器で発生した
2.45GHzのマイクロ波が、外導体10と内導体11
との間で伝播することになる。また、内導体11はコイ
ル12と電気的に接続しており、内導体11を通じて円
筒型空胴共振器1内のコイル12に通電することによ
り、放電管2内の試料ガスにマイクロ波電界が印加され
る。
【0024】コイル12は、同軸導波管14の内導体1
1からマイクロ波が放電管2内の試料ガスの放電プラズ
マとうまくカップリングするように、その巻き数及びピ
ッチを考慮して配置した。本実施例では、コイル長4c
m、巻き数5のコイル12を使用した(表1)。
【0025】
【表1】
【0026】
【表2】
【0027】表1に示す実施例1のコイルを用いて、表
2に示す条件でダイヤモンドの成膜実験を行なった。プ
ラズマ発生用の試料ガス5として水素とメタン(5%)
の混合ガスを約0.1Torr、流量1000ml/min で流
した、図1に示すコイル12を用いた放電では、コイル
長4cmの内部で放電プラズマが発生した。1時間の放電
後、製造した薄膜の測定結果を表2に従来技術と比較し
て示す。この表から判るように、本発明は従来技術と比
較して、マイクロ波パワーが比較的小さくてもダイヤモ
ンド薄膜形成に必要なメタンの反応を十分制御でき、基
板温度も低くてもよいことがわかる。
【0028】次に、コイル形状を表1に示すように、コ
イル長及び巻き数を変化させた場合の実施例を示す。こ
れらのコイルを用いると円筒型空胴共振器1内の設置の
仕方はそれぞれ図2から図5に示すものになる。図2に
示す実施例では、円筒型空胴共振器1の下端に、上下動
自在なピッチ調節器13を取り付け、コイル12の一端
をそのピッチ調節器13に固定したものである。
【0029】従って、ピッチ調節器13を上下動させる
ことにより、巻き数を変えずに円筒型空胴共振器1の軸
方向にコイル12のピッチを延ばすことができる。この
ように、コイルピッチを変えることによって放電プラズ
マの状態を変えることができるため、放電管2内部で発
生する放電プラズマを軸方向に伸ばすことができる。こ
のような円筒型空胴共振器1により成膜実験を行なった
結果を表2に示す。
【0030】実施例1及び2で示したように円筒型空胴
共振器1内に設置したコイルによりマイクロ波が放電管
内部で発生する放電プラズマとうまくカップリングする
ことから、表1に示す実施例3、4及び5に示すコイル
形状で同様の成膜試験を行なった。コイルの設置の様子
をそれぞれ図3、図4及び図5に示す。図3に示す実施
例では、分岐型コイル17を使用して、マイクロ波の放
電プラズマの供給を円筒型空胴共振器1の中心部から上
下双方へ行なうようにしたものである。
【0031】従って、この実施例では、円筒型空胴共振
器1中央に設置した基板6を中心にして軸方向に均等に
マイクロ波エネルギーが分配されることになる。また、
この分配率を変えるため、円筒型空胴共振器1の両端に
ピッチ調節器13を上下動自在に取り付け、これらのピ
ッチ調節器13に分岐型コイル17の一端を接続するよ
うにしても良い。
【0032】図4には同軸導波管の内導体11にプロー
ブ状のアンテナ15を取り付けて、円筒型空胴共振器1
内部に設置したカップリングコイル16と容量的にカッ
プリングさせたものである。このカップリングコイル1
6によるとマイクロ波はコイル内の放電管2に均等にカ
ップリングするために同軸導波管の内導体11からコイ
ルまでの伝送損失が低減される。
【0033】従って、放電プラズマへのエネルギー供給
の効率が向上する。図5には試料ガスの放電状態を変化
させるためにマイクロ波エネルギーを集中させたい空間
に二つのカップリングコイル16を設置したものであ
る。即ち、図5に示すように円筒型空胴共振器1の中心
部に設置している基板6に重ならないように、その上下
にそれぞれカップリングコイル16を配置して、基板6
に放電エネルギーが集中しないようにし、基板温度が異
常に上昇することを避けるようにしている。
【0034】本実施例ではダイヤモンド薄膜の成膜を示
したが、更に、試料ガスを変えることによりダイヤモン
ド以外の薄膜を製造できる。また、本実施例で示したコ
イルは温度の上昇を伴う放電管に接触させてもよいこと
から、コイル内を冷却水を流しても問題がなく、これに
よりコイルに更にマイクロ波エネルギーを供給できるこ
とになり、多用途に適したプラズマ製造法となる。
【0035】
【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明によれば、プラズマ製造装置におい
て、その試料ガスに印加される電界強度分布の制御を行
うことによって均一な放電を発生させることができ、円
筒型空胴共振器内に導入する試料ガスを原料とした均一
なプラズマの製造を有効に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係わる円筒型空胴共振器及び
円筒型空胴共振器内に設置するコイルの模式図である。
【図2】本発明の実施例に係わる円筒型空胴共振器及び
円筒型空胴共振器内に設置するコイルの模式図である。
【図3】本発明の実施例に係わる円筒型空胴共振器及び
円筒型空胴共振器内に設置するコイルの模式図である。
【図4】本発明の実施例に係わる円筒型空胴共振器及び
円筒型空胴共振器内に設置するコイルの模式図である。
【図5】本発明の実施例に係わる円筒型空胴共振器及び
円筒型空胴共振器内に設置するコイルの模式図である。
【図6】従来のプラズマ製造装置を示す正面図である。
【符号の説明】
1 円筒型空胴共振器 2 放電管 3 マイクロ波発振器 4 導波管 5 試料ガス供給源 6 基板 7 試料台 8 排気管 9 スリーブ 10 同軸導波管内導体 11 同軸導波管外導体 12 コイル 13 ピッチ調節器 14 同軸導波管 15 アンテナ 16 カップリングコイル 17 分岐型コイル

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マイクロ波発振器から出力されたマイク
    ロ波を空胴共振器に導入し、前記空胴共振器内部に導入
    した電界によってガスを放電させるプラズマ装置におい
    て、前記空胴共振器内に設置したコイルによって当該空
    胴共振器中の放電管内のガス全体を放電させることを特
    徴とするプラズマ製造方法。
  2. 【請求項2】 前記空胴共振器内部の電界強度を内部に
    設置したコイルのピッチで制御することを特徴とする請
    求項1記載のプラズマ製造方法。
  3. 【請求項3】 前記空胴共振器内部に複数のコイルを設
    置することによって前記空胴共振器内部の電界強度分布
    を制御することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ
    製造方法。
  4. 【請求項4】 前記マイクロ波発振器から出力されたマ
    イクロ波を前記空胴共振器に導入し、放電発生空間にコ
    イルを備えたことを特徴とする請求項1記載のプラズマ
    製造装置。
  5. 【請求項5】 前記空胴共振器の側面から内部のコイル
    のピッチを変換させる治具を備えたことを特徴とする請
    求項4記載のプラズマ製造装置。
JP5275174A 1993-11-04 1993-11-04 プラズマ製造方法及び装置 Withdrawn JPH07130492A (ja)

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