JPH08167499A - マイクロ波給電装置並びにこれを使用したプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】放電破壊、マイクロ波の減衰、並びにプラズマ
中への不純物の混入等の問題を解決したマイクロ波給電
装置並びにプラズマ発生装置を提供する。 【構成】一端が開口し他端が非磁性金属壁で閉塞された
ハウジング１と、このハウジング内に、この金属壁に沿
ってこれとほぼ平行に延び、金属壁に対して著しく非対
称となる形状の導波電極７と、金属壁と導波電極との間
に介在された導波セラミック板６と、ハウジング内に磁
界を発生させて電子サイクロトロン共鳴領域を形成する
多数の磁石５とを有する。これら金属壁と導波電極と導
波セラミック板とでストリップ路線が構成され、この一
端には内軸１０と外軸１２とからなる同軸導波管が接続
されている。この導波管から給電されたマイクロ波がス
トリップ路線を伝搬するのに従って漏洩電界が電子サイ
クロトロン共鳴領域に発生されてプラズマを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、電子サイク
ロトロン共鳴（ＥＣＲ）現象でプラズマを発生し、この
プラズマを利用して被処理物を処理するＥＣＲ型プラズ
マ発生装置並びにこのプラズマ発生装置に利用され得る
マイクロ波給電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＥＣＲ型プラズマ発生装置は、
例えば、半導体産業におけるエッチングやデポジション
のためのプラズマ、及びイオン源のソースプラズマを発
生するために利用されている。このＥＣＲ型プラズマ発
生装置においては、プラズマ発生領域（ＥＣＲ領域）に
マイクロ波を給電することが必要であり、このために例
えば、以下に示すような種々の形式の給電方法が提案さ
れている。

【０００３】１）例えば、Ｈ．Ｉｋｅｇａｍｉ，Ｓ．Ａ
ｉｈａｒａ，Ｍ．Ｈｏｓｏｋａｗａ，Ｈ．Ａｉｋａｗ
ａ，による文献“Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｓｉｏｎ”，１
３（１９７３）３５１により開示された、導波管をプラ
ズマ発生領域に直結し、導波管から直接マイクロ波をプ
ラズマ発生領域に給電する方法。

【０００４】２）例えば、Ｇ．Ｌｉｓｉｔａｎｏによる
文献“Ｐｒｏｃ．７ ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎ． Ｃｏｎ
ｆ． Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｉ
ｎ Ｇａｓｅｓ （１９６６） Ｖｏｌ．１ ｐ４６４
により開示された、リジタノ・コイルを使用してマイク
ロ波を給電する方法。

【０００５】３）例えば、Ｍ．Ｍｏｉｓａｎ ＆ Ｊ．
Ｐｅｌｌｅｔｉｅｒによる文献“Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ
Ｅｘｃｉｔｅｄ Ｐｌａｓｍａｓ （ｐｌａｓｍａ ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，４） Ｃｈａｐ．５ ｐｐ１２３
〜１８０に記されているように表面波を利用してマイク
ロ波を給電する方法。 ４）例えば、特願平４−３２９３４７号に記載されてい
るようにスロット・アンテナによりマイクロ波を給電す
る方法。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記いずれの
形式のマイクロ波給電方法を使用したとしても、大面積
に渡って均一なプラズマを生成するためには、プロセシ
ング・プラズマを例として考えると、約１Ｗ／ｃｍ²の
電力密度が必要なので、１ｍ²のプラズマ源には約１０
ｋｗの電力をほぼ一様に給電しなければならない。この
ために、放電破壊による短絡、マイクロ波の減衰による
給電範囲の狭隘化、並びに局部的プラズマ生成によるプ
ラズマ中への不純物の混入等の問題がある。

【０００７】従って、本発明の目的は、放電破壊、マイ
クロ波の減衰、並びにプラズマ中への不純物の混入等の
問題を解決したマイクロ波給電装置並びにプラズマ発生
装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のマイクロ波給電装置は、ハウジングと、こ
のハウジング内に漏れ電界を発生させる手段と、この手
段に接続されて、この手段にマイクロ波エネルギーを供
給する導波管とを具備し、前記漏れ電界を発生させる手
段は、大面積の第１の導波電極と、ハウジング内に第１
の導波電極と対面するようにして延びた細長い小面積の
第２の導波電極と、これら導波電極間に介在された導波
セラミック板とを有する非対称ストリップ路線により構
成され、マイクロ波が伝搬されるのに従って漏れ電界を
順次ハウジグ内に発生させることを特徴とする。

【０００９】また請求項２に係わる本発明のプラズマ発
生装置は、一端に非磁性金属壁が形成されたハウジング
と、このハウジング内に、この金属壁に沿って延び、金
属壁に対して著しく非対称となる形状の導波電極と、金
属壁と導波電極との間に介在された導波セラミック板と
を有し、これら金属壁と導波電極と導波セラミック板と
でストリップ路線を構成し、このストリップ路線の一端
に導波管を接続し、導波管から給電されたマイクロ波が
ストリップ路線を伝搬するのに従って漏洩電界を発生さ
せ、この電界によりハウジング内にプラズマを生成する
ようにしたことを特徴とする。

【００１０】また、請求項３に係わる本発明のプラズマ
発生装置は、一端が開口し他端が非磁性金属壁で閉塞さ
れたハウジングと、このハウジング内に、この金属壁に
沿ってこれとほぼ平行に延び、金属壁に対して著しく非
対称となる形状の導波電極と、金属壁と導波電極との間
に介在された導波セラミック板と、これら金属壁と導波
電極と導波セラミック板とでストリップ路線を構成し、
マイクロ波がストリップ路線を伝搬するのに従って漏洩
電界を発生させ、この漏洩電界の発生される領域を電子
サイクロトロン共鳴領域にするように磁界をハウジング
内に発生させる磁界発生手段を設けたことを特徴とす
る。

【００１１】

【作用】本発明に係わる装置においては、ストリップ路
線は、これの導波電極が互いに著しい非対称となってい
ることにより、このストリップ路線をマイクロ波が伝搬
している間に徐々に漏れ電界がハウジング中に発生さ
れ、ハウジング中の広範囲の領域に渡って一様なプラズ
マの発生が可能となる。

【００１２】

【実施例】以下に本発明の一実施例に係わるマイクロ波
給電装置を、これを使用したＥＣＲ型プラズマ発生装置
と共に添付図面を参照して説明する。図１（ａ）中、符
号１は非磁性金属板で形成された矩形のハウジグを示
し、このハウジングの上面と下面とは図示のように開口
されている。また、このハウジング１内は、同様に非磁
性金属板で形成された水平な壁２により、上方の磁石収
容室３と下方のプラズマ生成室４とに気密に分離されて
いる。この非磁性金属壁２の上面には多数の円形孔が形
成され、この孔中に夫々円柱状の永久磁石５が挿入され
ている。この非磁性金属壁２は、水平に延び、第１の導
波電極となる矩形の底板部２ａと、この底板部より立上
がり永久磁石５間に位置する隔壁部２ｂとにより構成さ
れている。前記永久磁石５は、図１（ｂ）に示すように
２重の矩形ラインＬ１，Ｌ２に沿って配設されており、
内側のラインＬ２に沿って配設された永久磁石５は、上
面がＳ極となるように、そして外側のラインＬ１に沿っ
て配設された永久磁石５は、上面がＮ極となるように、
夫々の極性が設定されている。なお、これら永久磁石５
が配設されるラインは、実際には、非磁性金属壁２の中
心近くにも永久磁石５が位置するように２重よりも多く
なっているのが好ましく、この場合でも隣会うラインに
配設された永久磁石５の極性が反対となっている。

【００１３】一方、前記非磁性金属壁２の底板部２ａの
下面には、即ち、プラズマ生成室４内には、導波セラミ
ック板６が取着されている。この導波セラミック板６
は、図１（ｃ）に示すように、細長い矩形状をなし、底
板部２ａの長手方向に沿って、これの一端近くから多端
近くにまで延びている。なお、この導波セラミック板６
は、図から明らかなように、ハウジングの長手方向中心
線よりかなりシフトした所、即ち、図１（ｃ）では下方
で、かつ内側に配設された永久磁石５と外側に配設され
た永久磁石５との間で延出するように配設されている。
この導波セラミック板６の下面には、これに沿うように
して延び、第２の導波電極となる導波電極片７が取着さ
れている。この結果、この導波電極片７は、導波セラミ
ック板６を挟んで非磁性の底板部２ａと平行に延出して
いるが、矩形の底板部２ａに対してかなり小面積となる
ように、即ち、著しく非対称となるように、ディメンシ
ョンが設定されている。また、この導波電極片７は、基
端から先端に向かって幅が徐々に狭くなるように、両側
面にテーパが形成されている。そして、この導波電極片
７の先端は、外側のラインＬ１に沿って配設された永久
磁石５と対向もしくはこれよりも少し外側に位置し、一
方、基端は、永久磁石５よりもかなり外側となるように
位置している。尚、この導波電極片７の先端は、少なく
とも底板部２ａの長手方向中心部にまで延びていれば良
い。

【００１４】前記非磁性の底壁部２ａの導波電極片７の
基端と対応する箇所には、垂直方向に延びて、これを貫
通した円透孔８が形成されている。この円透孔８の下端
開口はセラミック製の円板により形成された同軸窓９が
設けられている。この円透孔８内には、これと同軸的
に、導電体で形成された内軸１０が貫通されている。ま
た、この内軸１０の下端は、同軸窓９と、これに対応し
た導波セラミック板６の部分と、導波電極片７の基端を
貫通して下方に延出し、この基端に、ナット等の締め金
具１１により取着されている。一方、前記円透孔８の内
周面には、導電体で形成された円筒体よりなる外軸１２
の下部が取着されている。この外軸１２の下端部は前記
同軸窓９を貫通して導波セラミック板６に接続されてい
る。またこの外軸１２と前記内軸１０とは、互いに所定
間隔を有して同軸的に位置され、これらの他端は、ハウ
ジング１より延出し、図示しない高周波電源に接続され
ている。かくして、導波電極片７と、導波セラミック板
６と、非磁性の底板部２ａとからなる非対称のストリッ
プ路線と、このストリップ路線の基端に下端が接続され
内軸１０と外軸１２とからなる同軸導波管とにより、マ
イクロ波給電装置が構成されている。

【００１５】次に、上記構成のＥＣＲ型プラズマ発生装
置でのプラズマ発生を説明する。まず、上記のように、
複数重のラインに沿って夫々配設された永久磁石５が、
隣会うラインに配設されたもの相互の極性が反対になっ
ている場合の荷電粒子のドリフト運動を図２を参照して
説明する。極性の反対の隣会った永久磁石５相互には、
図２（ａ）に示すように一方の磁石５のＮ極から他方の
磁石５のＳ極に向かって磁力線が発生される。この図で
線ＲＰはＥＣＲ面を示し、この上で電子サイクロトロン
共鳴条件（マイクロ波周波数をｆ，電子の電荷と質量と
をそれぞれｑ，ｍ，そして磁束密度をＢとしたときに、
ｆ＝ｑＢ／（２πｍ）が満たされるように、供給される
マイクロ波と、永久磁石５の磁力とが設定されている。
このＥＣＲ面近傍で、マイクロ波エネルギーは電子に与
えられ、この結果、ＥＣＲプラズマの発生が維持され
る。ここで、永久磁石５により形成された磁界が図２
（ｂ）に示すように極率半径Ｒｃで湾曲しているとする
と、この磁界は

【００１６】

【数１】

【００１７】この結果、イオンと電子とは、図２（ｃ）
に示すように、Ｎ極が下側に位置された永久磁石５の列
と、Ｓ極が下側に位置された永久磁石５の列との間の間
隙部を、この列に沿って互いに反対方向に運動する。こ
の間隙部は、図１（ｃ）に示すように矩形状の延びた閉
回路となっているので、プラズマの荷電粒子はこの閉回
路に沿って運動し、この中に捕捉される。この結果、こ
の閉回路内で高密度のプラズマが生成され、また維持さ
れる。

【００１８】上記本発明の基本思想に従えば、磁石間の
閉回路の径（矩形の閉回路では長さ）を大きくすれば、
これに比例して発生されるプラズマの面積も大きくな
る。しかし、この長さＬが、イオン及び電子のガス分子
との衝突の平均自由行程λ_i、λ_eに対して大きくなりす
ぎると、上記のドリフト運動は閉回路の全周にわたらな
くなり、局部的なプラズマが発生してしまい。プラズマ
全体としては一様でなくなる。従って、一様性の良いプ
ラズマを発生させるためには、少なくとも前記イオン及
び電子のガス分子との衝突の平均自由行程程度の間隔で
プラズマを発生させる必要がある。このためには、マイ
クロ波を適当に漏洩させつつ長距離に渡って伝搬させる
必要がある。しかも、ｍ²の桁の面積の一様なプラズマ
を発生させるためには、数ｋＷから１０ｋＷ程度の電力
を伝送する必要がある。そして、伝送の途中で放電破壊
による線路の短絡や不純物の混入を避ける必要がある。

【００１９】上記実施例の装置では、非磁性金属で形成
された底板部２ａ並びに導波電極片７と、これらの間に
介在された導波セラミック板６とにより著しく非対称な
ストリップ線路を形成し、このストリップ線路を介して
マイクロ波をプラズマ発生領域に供給している。このよ
うな非対称のストリップ線路によれば、図２（ｄ）に示
すように、漏れ電界が著しく、これとＥＣＲ共鳴面と漏
れ電界の電気力線との交点近傍でマイクロ波からプラズ
マ電子に高効率のエネルギーの移行が行われ、高密度で
一様なプラズマが発生され、また維持される。そして、
この給電線路で高電界が印加される部分の全てにセラミ
ックが挿入されているので、放電破壊を防ぐことがで
き、また不純物の混入を防ぐことができる。

【００２０】前記実施例の装置では、非対称のストリッ
プ路線にマイクロ波を給電する手段として同軸導波管を
使用したが、本発明では必ずしもこれに限定するもので
はなく、例えば、以下に図３を参照して説明するような
矩形導波管を使用しても良い。

【００２１】尚、図３に示す装置において、前記実施例
と実質的に同じ部材は同じ参照符号を付して説明を省略
する。この実施例の装置では、導波セラミック板６には
円透孔８は設けられておらず、代わってハウジング１の
一側壁に矩形開口が設けられている。この矩形開口を通
って導波電極片７の基端から延出した細長い延出部７ａ
がハウジングの外方に延びている。また、前記ハウジン
グ１の一側壁外側には金属片１５の一端がセラミック窓
１６を介して取着されている。この金属片１５と前記延
出部７ａとは同じ幅を有し互いに上下方向に所定間隔を
有して対面するとともに、両端縁が金属側壁で接続され
ている。また、金属片１５は水平に延びているが、延出
部７ａはハウジング１から離れるのに従って下方に延び
るように傾斜している。この結果、金属片１５と延出部
７ａと、金属側壁とで、矩形導波管が構成されている。

【００２２】次に、他の実施例に係わるプラズマ発生装
置を図４を参照して説明する。図４（ａ）中、符号４０
は非磁性金属板で形成され、上面が閉塞されかつ下面が
開口された矩形のハウジグを示す。このハウジング４０
の上壁中央には円形の開口が形成され、この開口より非
磁性金属板で形成された同軸外筒４１が上方に突設され
ている。この同軸外筒４１は、ハウジングと一体的に形
成されていても、また、ハウジングと別体で形成されて
いても良い。このハウジング４０の上壁の下面には、即
ち、プラズマ生成室内には、導波セラミック板４３が取
着されている。この導波セラミック板４３の下面ほぼ全
面には導波電極片４４が、これに沿って配設されてい
る。この導波電極片４４は、図４（ｂ）に示すように、
ハウジングの中心に位置する中心部４４ａと、この中心
部から周方向に放射上に延びた複数（この実施例では７
本）の細片部４４ｂとから構成されている。各細片部４
４ｂは、基端から先端に向かって幅が徐々に狭くなるよ
うに、両側面にテーパが形成されており、導波セラミッ
ク板４３のほぼ外周縁近くにまで延びている。この結
果、この導波電極片４４の細片部４４ｂは、前記実施例
と同様に、ハウジング４０の上壁に対してかなり小面積
となるように、即ち、著しく非対称となるように、ディ
メンションが設定されている。かくして、ハウジング４
０の上壁と、導波セラミック板４３と、導波電極片４４
とで非対称のストリップ路線が構成されている。

【００２３】前記導波セラミック板４３の中心部には、
前記同軸外筒４１と同軸的ではあるが、これよりも小径
の円形開口が形成され、この開口には、垂直方向に延び
た同軸内筒４５の下端が挿入されている。そして、この
下端は導波電極片４４の下面より貫通した留めねじの上
部ねじ部が螺入されている。この結果、同軸内筒４５は
導波セラミック板４３並びに導波電極片４４に機械的に
取着されているとともに、導波電極片４４に電気的に接
続されている。かくして、この同軸内筒４５は前記同軸
外筒４１内でこれと所定間隔を有して同軸的に固定され
ており、両者で、前記非対称のストリップ路線にマイク
ロ波を供給する同軸導波管が構成されている尚、図中、
符号４６は同軸外筒４１と同軸内筒４５との間をシール
して、ハウジング４０内を真空に保つ真空シール部材を
示す。

【００２４】この実施例のプラズマ発生装置にはおいて
も、図３（ｂ）を参照して説明したように、非対称のス
トリップ路線に供給されたマイクロ波エネルギーの大部
分はハウジング４０の上壁と導波電極片４４との間の導
波セラミック板４３の部分中を伝搬する。そして、スト
リップ路線が著しい非対称のためにハウジング４０内に
漏れ電界が発生するので、ハウジング４０内のガスの圧
力を適当に設定することにより、ガス分子の電離が起こ
りプラズマが生成去れる。このガス分子の電離によりエ
ネルギーが消費されるので、このエネルギーを供給して
いるマイクロ波に減衰が生じる。しかし、発生されるプ
ラズマはマイクロ波の路線要素とはなっていないので、
マイクロ波エネルギーが路線を伝搬するのに従って適当
な強度の漏れ電界が発生するようにすることにより大面
積の一様性の良いプラズマを得ることができる。尚、こ
の漏れ電界の調節は、供給するマイクロ波エネルギーの
強度、導波電極片４４の形状、大きさ等により調節され
得る。

【００２５】図５に示す実施例の装置は、非磁性金属板
で形成され、上面が閉塞されかつ下面が開口された円筒
形のハウジグ５０を有する。そして、このハウジング５
０の上壁の下面には、即ち、プラズマ生成室内には、導
波セラミック板５３がハウジングの直径に沿って取着さ
れている。この導波セラミック板５３は、ハウジングの
内径とほぼ同じ長さの細長い矩形状をしている。そし
て、この導波セラミック板５３の下面には導波電極片５
４が、これに沿って配設されている。この導波電極片５
４は、図５（ｂ）に示すように、導波セラミック板５３
と同じ長さを有し、基端はこ導波セラミック板５３とほ
ぼ同じ幅を有し、基端から先端に向かって幅が徐々に狭
くなるように、両側面にテーパが形成されている。この
結果、この導波電極片５４は、前記実施例と同様に、ハ
ウジング５０の上壁に対してかなり小面積となるよう
に、即ち、著しく非対称となるように、ディメンション
が設定されている。かくして、ハウジング５０の上壁
と、導波セラミック板５３と、導波電極片５４とで非対
称のストリップ路線が構成されている。そして、この実
施例の装置のマイクロ波送電手段は、図３に示す実施例
と同様に矩形導波管１８により構成されているが、図
１，４に示すような同軸導波管により構成することもで
きる。

【００２６】前記実施例では、導波電極片５４として、
先端に向かうのに従って幅が狭くなるような形状にして
いるが、必ずしもこのような形状に限定されることはな
い。例えば、図６に示すように、両側縁を、内側に湾曲
させて、中央部の幅を先端部並びに基端部の幅より狭く
なるように導波電極片５４を形成しても良い。

【００２７】実験結果 図６に示す装置を使用して以下の条件出プラズマ生成を
試みた。 条件 導入ガス アルゴン ハウジング内圧力 １０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ マイクロ波電力 １ＫＷ この結果、下記のパラメータを持つプラズマを生成する
ことができた。

【００２８】 電子密度 ４ｘ１０¹²ｃｍ^-3 電子温度 １．３ EVv 直径２０ｃｍ以内の一様性 ΔＮe ／Ｎe ≦ ６％ この結果からも判るように本発明の装置に係われば、大
面積のプラズマを一様性良く生成することができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の装置においては、放電破壊、マ
イクロ波の減衰、並びにプラズマ中への不純物の混入等
の問題を解決しながら、大面積のプラズマを一様性良く
生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わるＥＣＲ型プラズ
マ発生装置の説明するための図で、（ａ）は断面図、
（ｂ）は上面図、そして、（ｃ）は下面図である。

【図２】図１に示す装置の原理を説明するための図で、
（ａ）は永久磁石により発生される磁界を示す図、
（ｂ）は磁界の方向と、電子及びイオンの運動方向とを
示す図、（ｃ）は永久磁石に対するイオンと電子との運
動方向を示す図、そして図（ｄ）は著しく非対称なスト
リップ路線での漏れ磁界を示す図である。

【図３】本発明のＥＣＲ型プラズマ発生装置の他の例を
示す図で、（ａ）は断面図、そして（ｂ）は下面図であ
る。

【図４】本発明のプラズマ発生装置の永久磁石を使用し
ない例を示す図で、（ａ）は断面図、そして（ｂ）は下
面図である。

【図５】矩形導波管を使用した本発明のプラズマ発生装
置の他の実施例を示す図で、（ａ）は断面図、そして
（ｂ）は下面図である。

【図６】図５に示す装置の変形例を示す下面図である。

【符号の説明】

１…ハウジング、４…プラズマ発生室，５…永久磁石、
６…導波セラミック板、７…導波電極片。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、このハウジング内に漏れ
   電界を発生させる手段と、この手段に接続されて、この
   手段にマイクロ波エネルギーを供給する導波管とを具備
   し、前記漏れ電界を発生させる手段は、大面積の第１の
   導波電極と、ハウジング内に第１の導波電極と対面する
   ようにして延びた細長い小面積の第２の導波電極と、こ
   れら導波電極間に介在された導波セラミック板とを有す
   る非対称ストリップ路線により構成され、マイクロ波が
   伝搬されるのに従って漏れ電界を順次ハウジグ内に発生
   させることを特徴とするマイクロ波給電装置。
2. 【請求項２】 一端に非磁性金属壁が形成されたハウジ
   ングと、このハウジング内に、この金属壁に沿って延
   び、金属壁に対して著しく非対称となる形状の導波電極
   と、金属壁と導波電極との間に介在された導波セラミッ
   ク板とを有し、これら金属壁と導波電極と導波セラミッ
   ク板とでストリップ路線を構成し、このストリップ路線
   の一端に導波管を接続し、導波管から給電されたマイク
   ロ波がストリップ路線を伝搬するのに従って漏洩電界を
   発生させ、この電界によりハウジング内にプラズマを生
   成するようにしたことを特徴とするプラズマ発生装置。
3. 【請求項３】 一端が開口し他端が非磁性金属壁で閉塞
   されたハウジングと、このハウジング内に、この金属壁
   に沿ってこれとほぼ平行に延び、金属壁に対して著しく
   非対称となる形状の導波電極と、金属壁と導波電極との
   間に介在された導波セラミック板と、これら金属壁と導
   波電極と導波セラミック板とでストリップ路線を構成
   し、マイクロ波がストリップ路線を伝搬するのに従って
   漏洩電界を発生させ、この漏洩電界の発生される領域を
   電子サイクロトロン共鳴領域にするように磁界をハウジ
   ング内に発生させる磁界発生手段を設けたことを特徴と
   するプラズマ発生装置。