JPH07335162A

JPH07335162A - 高周波プラズマ源用アンテナ

Info

Publication number: JPH07335162A
Application number: JP6150347A
Authority: JP
Inventors: Naoki Miyamoto; 直樹宮本
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】チャンバ内に横方向に挿入したアンテナから
マイクロ波をチャンバ内に導入し、マイクロ波によって
原料ガスを励起しプラズマに変え、電極に印加した電圧
の作用によってイオンビ−ムとして引出すようにしたマ
イクロ波イオン源において、従来二重管構造のアンテナ
に冷却媒体を往復させて冷却していた。流路が狭いの
で、圧力をかけて強制的に流体を押し出すあるいは吸い
出す必要があり、強力なポンプが要求される。共同のポ
ンプや小型ポンプあるいは水道水を用いて冷却できるよ
うにしたアンテナを提供する。【構成】アンテナを一重管構造にし、チャンバを貫
き、外部に両端を突き出すように取り付ける。アンテナ
の内部を冷却媒体が一方向に進行するようにする。流路
のコンダクタンスが大きくなり、小さいポンプでも流体
を十分に流すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロ波イオン源
のアンテナの水冷構造の改良に関する。イオン源は、原
料ガスを何らかの方法によって励起してプラズマを生成
するプラズマ源と、そのプラズマ中のイオンをイオンビ
−ムとして引き出すための電極で構成されている。イオ
ン源は、イオンビ−ムを作るものであるが、イオン注
入、イオンド−プ、又、プラズマ源単体として、エッチ
ング、プラズマＣＶＤ等多くの用途を持っている。用途
によってイオン源に接続される装置の内容が変わってく
る。ガスの励起方法は、フィラメントとチャンバ間のア
−ク放電、平行電極間に高周波を印加する高周波励起、
マイクロ波による励起などがある。マイクロ波による場
合は、磁場をかけて共鳴させる場合と、磁場を使わない
場合がある。またマイクロ波は発振器と、イオン源チャ
ンバの間を導波管によって繋ぐものと、同軸ケ−ブルに
よって繋ぐものがある。

【０００２】導波管によるものは、チャンバの軸方向に
導波管を繋ぎ、この先に発振器を設けて、マイクロ波を
空間伝搬させて、誘電体窓を通し、チャンバ内に導く。
共鳴させる場合は、チャンバの周囲に大きいコイルを設
けて、軸方向（縦方向）に磁界を発生させる。マイクロ
波周波数は２．４５ＧＨｚであることが多い。すると８
７５ガウスの磁束密度において電子のサイクロトロン周
波数と、マイクロ波周波数が一致し共鳴が起きる。この
時マイクロ波エネルギ−を効率的に吸収できる。ＥＣＲ
イオン源という。導波管によるものは、発振器とチャン
バが別になり、この間を導波管がつなぐことになるが、
これだけで多くの体積を必要とする。また縦磁場を利用
する場合は、チャンバを取り巻くコイルが大きくて嵩張
る。

【０００３】同軸ケ−ブルと縦方向のアンテナによるも
のは、発振器とチャンバの位置関係の自由度が高くな
る、また装置をより小型にできる等の長所がある。しか
しこれは同軸ケ−ブルにおける伝搬損失が大きいし、ア
ンテナによって形成される電場、磁場がチャンバ軸方向
に均一でなく、プラズマの励起密度も不均一になる。そ
こで、本出願人は、発振器とアンテナを直結し、アンテ
ナをチャンバの横方向に設置したマイクロ波イオン源を
発明した。横アンテナと磁場を組み合わせたイオン源で
ある。線形マイクロ波イオン源と簡単に呼ぶことにす
る。これはアンテナとマグネトロンを直結し、同軸ケ−
ブルを要しないので、伝搬損失が少ない。また導波管や
ケ−ブルを使わないから装置の体積を小さくすることが
できる。

【０００４】

【従来の技術】線形マイクロ波イオン源は、例えば、本
出願人による特願平４−１６２１７３号、特願平４−２
７４９０８号に提案されている。真空チャンバの端面に
永久磁石を複数個設けてプラズマを閉じ込める。チャン
バの端面近傍に平行にアンテナを設けている。つまりア
ンテナは横方向に存在する。チャンバの中に高密度の電
磁波が存在し、電子が振動するので、原料ガスが励起さ
れ、プラズマとなる。アンテナの近傍において電界強度
が最大になる。アンテナの近くでプラズマ密度が高い。
プラズマを構成するイオン、電子、中性種がアンテナに
衝突するので、アンテナが強く加熱される。アンテナが
高熱になると、アンテナを支持するセラミックスが破損
する。アンテナも損傷する惧れがある。そこでアンテナ
を冷却する必要がある。

【０００５】前記の特願平４−１６２１７３号、特願平
４−２７４９０８号は、アンテナを同心二重管構造とし
て、一方を閉じ、他方を冷却水の入り口と出口にしてい
た。冷却水は内管から入り、他方の端部に至り、ここで
外管と内管の間に出て外側の経路を戻るようになってい
る。このようにすると、冷却水の入り口、出口を一方の
側に設けることができるから、冷却構造を簡略にでき
る。図２は、従来例に係るアンテナの冷却構造である。
真空チャンバは、蓋板１と筒型の側壁２とを組み合わせ
てなる。蓋板１と側壁２の取り付け部には、ガスケット
やＯリング等のシ−ル機構がある。簡単のため図示を略
す。蓋板１の内部に永久磁石３が複数個同極が並ぶよう
に設けられる。磁界の方向はチャンバの軸方向、つまり
アンテナと直角の方向である。側壁２の先は開口になっ
ている。開口には３枚の電極が設けられる。これは３枚
のこともあり、４枚のこともある。ここでは３枚の電極
で正イオンを引き出す場合の例である。正電極４、負電
極５、接地電極６の組合せである。

【０００６】開口には、まず正電極（加速電極）４が設
けられる。これには正の高圧を印加する。これに次いで
負電極（抑制電極）５がある。これには負の電圧を印加
する。さらにこの先に接地電極６がある。これは大地電
圧につながれる。負電極５は支持リング７によってチャ
ンバに対して固定される。接地電極６も支持リング８に
よってチャンバに対して固定される。これらの電極は互
いに電気的に絶縁されなければならないので、絶縁リン
グ９、絶縁リング１０によってチャンバに対して支持さ
れる。支持リング８のさらに先には、フランジ１１が固
定される。イオン源のチャンバはそれ故、蓋板１、側壁
２、絶縁リング９、１０、フランジ１１等によって構成
される。これらの電極はイオンビ−ムを通すための通し
穴１２、１３、１４が穿たれる。小さい穴を多数個穿孔
したものもあるが、ここではアンテナの長手方向に長い
スリット状の穴を一つ穿孔したものを示す。これは断面
が長方形状のビ−ムを引出すようにしている。

【０００７】マグネトロン１５が蓋板１の側方に設置さ
れている。これはマイクロ波を発生するものである。導
波管を使わず、端子１６から直接にアンテナ１７にマイ
クロ波が伝達される。アンテナ１７はチャンバ側壁２の
外から内に向かって設けられる。側壁２にはこのための
穴１８、１９が穿たれる。一方の穴１９にはエンドフラ
ンジ２０が外から差し込んである。エンドフランジ２０
がアンテナの端で電気的に終端している。他方の穴１８
をアンテナ１７が貫く。絶縁物２１がアンテナの途中に
差し入れてあり、これがフランジ２２によって側壁２に
固定される。アンテナ１７は終端部に於いてエンドフラ
ンジ２０により、側壁（チャンバ）に電気的に接続され
る。アンテナの長手方向に一つあるいは二つの定在波が
できる。

【０００８】アンテナ１７は特徴的な形状をしている。
これは、内外２重管構造になっている。つまり外管２３
と内管２４を同心状に設けている。左の開口が冷却媒体
３０の入り口と出口になっている。内管の端部２５が入
り口に、外管の端部が出口２６になっている。冷却媒体
は、内管２４の中を進行し、エンドフランジ２０の近傍
の折り返し点３１で流れ方向を変え、外管に入り外管２
３を伝って逆方向に流れ、２回アンテナを冷却した後排
出される。例えば、外管の外径は６ｍｍ、内径は５ｍｍ
（肉厚０．５ｍｍ）である。内管は、外径が４ｍｍ内径
が３ｍｍ（肉厚０．５ｍｍ）である。これは、入り口と
出口を同じポ−トの側に設けることができるという利点
がある。開口１８をアンテナが貫通しているが、他方の
端部は開口１９がふさがれており、外部にアンテナが露
呈しない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】イオン源において、プ
ラズマを励起すると、プラズマや電子の衝突によるアン
テナの加熱が著しくなる。アンテナが強く加熱されるの
で、アンテナを十分に冷却しなければならない。そうし
なければセラミックスやアンテナが損傷する惧れがあ
る。太い管であれば十分な冷却水を流して十分に冷却す
ることもできよう。しかしアンテナの直径には制限があ
る。太すぎると、装置の全体が大型になってしまう。ま
た太いアンテナはその近傍の電界、磁界強度を弱くする
ので、プラズマ生成効率が悪い。そこで、例えば上記の
ように外径が６ｍｍ程度になる。内外二重管にすると、
流路の幅が１ｍｍの程度になり圧損が大きい。ためによ
ほど圧力をかけないと十分な冷却媒体量を送り出すこと
ができない。例えば、図２の装置で、前記の厚みの二重
管の場合、１０ｋｇ／ｃｍ² の圧力をかけて冷却媒体を
圧送している。これはかなり高い圧力である。

【００１０】このようにポンプにより圧力をかけて冷却
媒体を循環させることが可能であれば問題ない。しか
し、例えば水道水を使って水道の圧力で安直に冷却した
いという場合には、このような圧力損失の大きい機構は
不適である。また他の作業も行なう共通のポンプを使っ
て冷却媒体を循環賦勢もしたいという場合がある。この
ような目的を達成するために、より冷却媒体を通し易く
した冷却構造を提供することが本発明の目的である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、アンテナを一
重管構造とし、チャンバの横壁面の通し穴を貫くように
設置する。チャンバ穴とアンテナ外周の間は真空シ−ル
する。そして、チャンバの外に出ている一方の開口から
冷却媒体を流入させ、他方の開口から冷却媒体を流出さ
せる。

【００１２】

【作用】流体の流れが一方向になり、一方の端部からア
ンテナ内部に流入させ、他方の端部から流れ出るように
するから、圧損が少ない。従って強力なポンプを使わな
くても十分な流量の冷却媒体を流すことができる。冷却
媒体は、水、純水、フロリナ−トなどが用いられる。本
発明の場合は、冷却流路のコンダクタンスが大きいの
で、小さいポンプにより冷却媒体を循環させることがで
きる。また水道水によって冷却することも可能になる。
共通のポンプによっても十分にアンテナを冷却すること
ができる。さらに冷却がより完全になるので、アンテナ
近傍のセラミックスが破損する惧れが少なくなる。装置
の寿命を長くすることができる。アンテナの寿命をも延
ばすことができるのは当然である。

【００１３】

【実施例】図１により本発明の実施例に係るイオン源を
説明する。これは蓋板１、側壁２よりなる空間におい
て、マイクロ波により原料ガスを励起して、プラズマと
するものである。蓋板の端面には複数の永久磁石３があ
る。これはアンテナと垂直方向に磁場を与えることがで
きる。チャンバの開口には、正電極４、負電極５、接地
電極６が設けられる。これらには、加速電源、抑制電源
から正電圧と負電圧が印加される。

【００１４】正電極４、負電極５、接地電極６には図示
例では、スリット状の開口１２、１３、１４が穿孔され
る。負電極５は支持リング７によって、接地電極６は支
持リング８によってチャンバに取り付けられる。絶縁リ
ング９、１０によってこれらが固定される。マイクロ波
を発生するためにマグネトロン１５が、蓋板１のすぐ横
に設けられる。マグネトロンは一つとは限らない。複数
の場合もある。この場合、マグネトロンと同じ数のアン
テナが平行に設けられる。ここではひと組みのものしか
図示していない。マグネトロン１５のマイクロ波は端子
１６をへて、アンテナ１７に伝わる。なお、前記各電極
４、５、６としては、スリット状の開口１２、１３、１
４に代えて多数の小孔を穿設した多孔電極としてもよい
のは勿論である。

【００１５】チャンバ側壁２には二つの開口１８、１９
が切り欠かれている。アンテナ１７は両方の開口を貫い
ている。アンテナ１７の一方は円筒形絶縁物２１が取り
付けられ、これがフランジ２２によって側壁２の外面に
固定される。アンテナが高熱になると、セラミックスで
ある絶縁物２１が破損する。アンテナの他端は開口１９
を貫通する。これは真空シ−ル兼用継手３２によって閉
じられる。これは開口１９の雌螺子にはまる雄螺子筒体
３３と、これを締める袋ナット３４よりなる。アンテナ
１７は一重の単純な管である。一方の開口端２７が冷却
媒体入り口２７になり、他方の開口端が出口２８にな
る。冷却媒体は図１において左から右へ一方向に流れ
る。管の内径が大きいからコンダクタンスが大きい。つ
まり圧力をあまりかけなくても十分に流れる。ために小
さいポンプにより冷却媒体を送ることができる。共通の
ポンプの一部の賦勢力を利用するということも可能であ
る。圧損が低いから、水道栓から水道水をアンテナ内部
に導いて、水道の低い圧力によってアンテナを冷却する
ことも可能になる。これは極めて手軽な冷却である。

【００１６】こうすると冷却媒体の入り口と出口が離れ
るからホ−スの配管などを変更する必要がある。しか
し、こうしても配管が複雑にはならない。本発明はアン
テナの冷却構造を単純化し、従来二重管であったものを
一重管にし、小さい圧損で冷却媒体を循環させるように
したところに特徴がある。

【００１７】

【発明の効果】冷却媒体を流すアンテナを一重管にし
て、一方の端から他方に向けて冷却媒体を一方向にのみ
流すようにしている。同じ外径であれば、二重管のアン
テナに比べて圧損が極めて少なくなる。小さいポンプで
も十分な量の冷却媒体を流すことができる。小さいポン
プによって冷却媒体を送ることができる。或いは他の作
業と共用するポンプのパワ−の一部を利用して、アンテ
ナを冷却することができる。安直に水道水によってアン
テナを冷却することもできる。冷却が完全になるので、
アンテナの破損、アンテナ近傍のセラミックスの破損を
効果的に防ぐことができる。チャンバの寿命を延ばすと
いう点でも利益がある。さらに二重管構造のアンテナは
作りにくいし保守も容易でない。単純な一重管のアンテ
ナは製造、保守ともに容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るマイクロ波イオン源チャ
ンバの概略断面図。

【図２】従来例に係るマイクロ波イオン源チャンバの概
略断面図。

【符号の説明】

１蓋板２側壁３永久磁石４正電極５負電極６接地電極７支持リング８支持リング９絶縁リング１０絶縁リング１１フランジ１５マグネトロン１７アンテナ１８開口１９開口２０エンドフランジ２１絶縁物２２フランジ２３外管２４内管２５冷却媒体入り口２６冷却媒体出口２７冷却媒体入り口２８冷却媒体出口３０冷却媒体３１折り返し点３２真空シ−ル兼用継手３３筒体３４袋ナット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空に引くことができ一方に開口を有す
るチャンバと、チャンバの開口に設けられイオンビ−ム
の通し穴を有する複数枚の電極と、チャンバの開口に向
いて直交する方向に設けられる中空のアンテナと、アン
テナにマイクロ波を与えるマグネトロンと、チャンバの
壁面に設けられる永久磁石と、各電極に電圧を印加する
電源とを含み、原料ガスをチャンバ内に導入しアンテナ
によりマイクロ波をチャンバに供給しマイクロ波により
電子を励起し磁場による運動とマイクロ波振動が共鳴す
るようにしてあり原料ガスをプラズマにしイオンビ−ム
として引出すようにした高周波プラズマイオン源のアン
テナであって、アンテナが一重管であり、両端がチャン
バの外に出ており、一方の端部から冷却媒体がアンテナ
の内部に入りアンテナの内部を一方向に進行し他方の端
部から排出されるようにしてあることを特徴とする高周
波プラズマ源用アンテナ。