JPH09245658A

JPH09245658A - 永久磁石によるｅｃｒ共鳴を利用するプラズマ生成機構

Info

Publication number: JPH09245658A
Application number: JP8084787A
Authority: JP
Inventors: Hideki Fujita; 秀樹藤田; Akira Adachi; 明安立
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】ＥＣＲプラズマ生成機構において、渦巻状アン
テナを用いるとチャンバが大きくなり磁場が弱くなる。
マイクロ波吸収の起こる領域が狭い。アンテナ寿命が短
いなどの欠点がある。これらの難点を解決すること。【構成】直線状の長いアンテナを用いる。チャンバを細
く長くし、永久磁石も細く長くする。中心軸線での磁場
を共鳴磁場よりも大きくする。従来に比べて構造簡単で
小型長寿命のプラズマ生成機構ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は原料ガスをマイクロ
波によって共鳴励起してプラズマを発生させるプラズマ
生成機構の改良に関する。生成したプラズマからイオン
或いはラジカルをビームとして引き出し、薄膜成長やエ
ッチングに利用する。つまりイオン源やラジカル源のも
とになるプラズマ生成機構が本発明の対象になる。

【０００２】イオン源は多くの用途に利用されているか
ら説明の必要はない。ラジカル源は聞き慣れない言葉で
あるから説明する。分子線エピタキシャル成長装置にお
いて、分子線セルの代わりに用いられラジカル線を生じ
るセルをラジカル源という。

【０００３】ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）装
置は超高真空中で原料を分子線にして加熱された基板に
照射し、気相反応を起こさせて薄膜を形成する装置であ
る。原料を分子線にするためにはＫセルあるいは分子線
セルが用いられる。ＰＢＮのるつぼ、ヒ−タ、反射板、
支柱、熱電対などよりなり支柱が超高真空フランジに固
定されている。そのようなものが分子線セルである。こ
れは常温で固体であるものを加熱蒸発させて分子線とす
るものである。多くの場合、加熱蒸発によって十分に反
応性のある分子線にすることができる。

【０００４】しかしある限られた材料の場合は、単に分
子線としただけでは反応性に乏しくて、薄膜形成をする
事ができない場合がある。例えば窒素ガスの場合など、
初めから気体であるし安定なガスであるから、分子線に
したぐらいでは反応が起こらない。このような場合分子
線ではなくラジカル線にすることが考案された。本発明
はＭＢＥ装置のラジカル源としても使えるプラズマ生成
機構の改良に関する。

【０００５】

【従来の技術】永久磁石を用いて縦磁場を発生させ、コ
イル型アンテナによって導入されるマイクロ波に対して
電子共鳴を起こさせ、高密度プラズマを発生させる装置
が石川らによって提案されている。 Junzo Ishikawa, Yasuhiko Takeiri and Toshinori T
akagi,"Axial magneticfield extraction-type microwa
ve ion source with a permanent magnet", Rev. Sci.
Instrum. 55(4), April 1984, p449

【０００６】図２に概略の構造を示す。これは永久磁石
２０によってチャンバ２１内に縦磁場を生じるようにな
っている。原料ガスがガス入り口２８からチャンバ２１
に導入される。導波管２９を伝わるマイクロ波３０がア
ンテナ２２によってチャンバ２１に導かれる。ガスに含
まれる電子がマイクロ波によって振動する。電子は磁場
によってサイクロトロン運動しマイクロ波を共鳴吸収す
る。電子がガス分子を励起してプラズマに転換する。チ
ャンバ２１の前には引出電極２３、２４がありイオンを
イオンビーム３１として加速し引き出すようになってい
る。

【０００７】アンテナ２２は直線部分の先端を１ターン
横方向コイル状３９に巻いた形状になっている。コイル
アンテナであるからチャンバが横に肥大する。永久磁石
２０が作る磁界を強くするために磁性体の引出電極２３
と強磁性体の中継輪３８を使う。チャンバ２１側と引出
電極２３側は電圧が違うので絶縁体２５によって絶縁さ
れる。強磁性体中継輪３８、絶縁体２５、強磁性体引出
電極２４は互いに溶接される。

【０００８】ベースフランジ３６には冷却媒体３７が通
る。中間フランジ２６も強磁性体によって作る。永久磁
石２０、引出電極２３、２４、中間フランジ２６によっ
て磁気回路が形成される。永久磁石によるチャンバ内の
磁力線を強化する為である。上部フランジ２７は非磁性
体である。これには加熱用のヒ−タ３４が巻き廻してあ
る。ガス入口２８から導入されたアルゴン、窒素などの
ガスのイオンビ−ムを引き出すことができると述べてい
る。ラジカルについては言及していない。

【０００９】これはイオン源であり、独立してイオン源
として利用されるものである。本発明者はこれにヒント
を得て同じような装置をラジカル源とすることができる
事に気づいた。電子をマイクロ波に共鳴させるとプラズ
マができる。プラズマというのは殆ど全てが荷電粒子な
のではない。中性の活性種（ラジカル）も多く含まれ
る。条件によってはラジカルの比率を荷電粒子より遥か
に多くする事もできる。のような装置でラジカルを生
成できることを本発明者は確かめた。

【００１０】しかしまだ問題がある。中性であるから、
ラジカルを生成できても荷電粒子のように電界を掛けて
引き出す事はできない。しかしチャンバと外部に圧力の
差を与えると、チャンバから差圧によって中性のラジカ
ルを引き出すことができる。そこで本発明者はの装置
を改良しイオン源ともラジカル源ともできる装置を発明
した。

【００１１】特願平６−１８３９２２号（平成６年７
月１２日出願「ＥＣＲイオンラジカル源」特開平８−３
１３５８号）である。１ターン曲げたアンテナをチャンバに通しアン
テナによってマイクロ波を導入しガスをプラズマにし、
ラジカル或いはイオンを外部に引き出そうとするもので
ある。マイクロ波だけではガスを励起しにくいので磁場
を掛けて電子がサイクロトロン共鳴するようにしてい
る。プラズマ室の外部に磁石を設けて縦磁場を発生させ
る。

【００１２】マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚであ
る場合、磁石により８７５Ｇの磁場を発生させると電子
の螺旋運動の周波数とマイクロ波周波数が合致するので
サイクロトロン共鳴が起こる。マイクロ波からエネルギ
ーを効率的に吸収できガス分子を励起して中性のラジカ
ルとする。マイクロ波の共鳴吸収を利用するのでＥＣＲ
という。

【００１３】これは引き出し電極に電圧を加えるとイオ
ンビ−ムを引き出すようにできる。電極電圧を０にして
差圧を与えることにより中性ラジカルを引き出すことが
できるようになっている。イオンビ−ム、ラジカルの何
れをも選択的に出せるのでイオンラジカル源と言う。二
つの目的用途に利用できる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記の、ともに、
軸方向に短く横方向に広がったコイル状アンテナを使っ
ていた。どうして螺旋状のアンテナを用いるのか？円筒
形の永久磁石によって円筒対称の磁場が生じ、コイルは
円筒対称であるからコイルアンテナの円周上の全ての点
で共鳴条件が満たされるだろうという思惑による。

【００１５】コイルアンテナを用いるから、プラズマ生
成室は軸方向に短く、軸と直角方向に広い。軸方向の長
さをＬとし、これと直角の方向の広さをＤとすると、Ｌ
／Ｄが小さい。軸方向（縦方向）の磁場を作るためのリ
ング状の磁石も短く、さらに直径が大きいものであっ
た。

【００１６】コイルアンテナを使うイオンラジカル源
は、ＥＣＲ用の磁石の直径が大きく長さが短いので、プ
ラズマ室の中央部の磁場が弱いという欠点があった。永
久磁石とプラズマ室中央の距離が長すぎるからである。
磁場が弱いと共鳴吸収が起こらない。チャンバ内部での
磁場を強くするため磁気回路の磁気抵抗を下げる。この
ためにアンテナ付近に強磁性体を設ける必要があった。
非磁性体のチャンバフランジの一部にリング状強磁性体
を溶接する。これによって磁気抵抗を下げ、チャンバ中
央での磁場を増強できる。これはしかし余分な部材の付
加であって装置構造を複雑にする。溶接の手数も増え
る。チャンバは加熱冷却を繰り返すが、熱履歴によって
溶接がとれることもある。それほどでなくても溶接箇所
からリークが生ずることもある。

【００１７】さらにまだ欠点がある。アンテナ先端は渦
巻状であるため手作りになる。形状の再現性が悪い。同
一のものが作り難い。アンテナの１カ所で８７５Ｇの磁
場になることもある。形状の不規則のために円筒対称性
が実際にはなくて、複数箇所で８７５Ｇになることは殆
どない。その場合、他の部位では８７５Ｇから外れるの
で電子共鳴できない。多くの場合、共鳴箇所が一つに限
られる。また共鳴箇所がアンテナ上に全くない場合もあ
る。円筒対称の形状にするのでかえって共鳴条件を満た
し難くなる。軸方向のアンテナの調整が難しい。

【００１８】それだけではなくアンテナの根元に局所的
な放電がおこり、濃いプラズマが形成されることもあ
る。するとアンテナが放電によって溶けたり、スパッタ
リングされる。アンテナの材料がガスになってアンテナ
の根元の絶縁体に飛び、ここに付着する。すると絶縁体
の表面に導体膜ができてマイクロ波が入り難くなる。こ
れは不純物入りのプラズマを生成することにもなる。

【００１９】そのようにコイル状のアンテナを使う従来
のラジカル源は、磁場の最適範囲が大変狭かった。この
ために磁気回路の設計が複雑になり、かつアンテナ付近
で高い磁場精度を必要とした。アンテナがコイル状であ
るためにアンテナ近傍での磁場の調整が困難であった。
またアンテナの根元で放電が起こらないように、アンテ
ナの軸方向の取り付けに高精度を必要とする。

【００２０】さらにプラズマが狭い領域に集中するため
に、壁面とアンテナがプラズマによってスパッタリング
される。スパッタリングによるアンテナの消耗が著し
い。アンテナの寿命が短くなる。多くの場合、アンテナ
の寿命は２時間〜３時間にすぎない。アンテナを頻繁に
交換し、壁面についた導体のスパッタ膜の清掃を頻繁に
行う必要がある。

【００２１】またスパッタリング粒子がマイクロ波導入
窓に付着し導体薄膜を作るので、それ以上マイクロ波が
入らなくなる。そのためにもアンテナを交換し、壁面を
清掃しなければならない。また、不純物入りのプラズマ
が生成され、膜に悪い影響を与える。分子線エピタキシ
ャル成長法は超高真空を必要とする装置である。アンテ
ナを取り替えるために真空を破るということは望ましく
ない。大いに薄膜生成能率を下げる。

【００２２】

【課題を解決するための手段】アンテナを長い直線状に
し、ＥＣＲ磁石も軸線方向に長くする。磁石の直径は小
さくする。そうしてアンテナが磁石の中心付近を貫通す
る構造とした。アンテナ長をマイクロ波（２．４５ＧＨ
ｚ）の波長の１／４以上（３１ｍｍ）とし、且つ、磁石
の中央の磁場を８７５Ｇ以上とした。磁石の中心軸線上
にアンテナが存在する。中心軸線の磁場は設定磁場（８
７５Ｇ以上）よりも小さくなるが、少なくとも２箇所で
８７５Ｇになる。永久磁石よりもアンテナが十分長い
と、多くの場合４箇所で８７５Ｇの共鳴条件を満たすよ
うになる。共鳴吸収がその近傍で起こる。ＥＣＲ共鳴に
よってガスが効率的に励起される。

【００２３】

【発明の実施の形態】永久磁石を長くし直径を小さくす
るから、磁石で囲まれる空間での磁界をより強くする事
ができる。磁石中央で８７５Ｇ以上になるように設定し
てあり、中心軸線で磁場の大きさは変化し、磁石外にな
ると減少するはずである。従って軸線上で少なくとも２
箇所で８７５Ｇになる。さらに磁石の端面の内と外で磁
場の変動が対称になることもあり、その場合は４箇所
（磁石の内外前後）で共鳴磁場（８７５Ｇ）になる。ア
ンテナは軸線上に長く伸びているからこれらの共鳴領域
を貫いている。アンテナに接して共鳴領域があるから、
強力なマイクロ波を効率的に吸収しガスを迅速にプラズ
マに変換する。

【００２４】図１によって本発明の実施例に係るプラズ
マ発生機構を説明する。十分に長い円筒形のプラズマ室
１は、その内部で原料ガスをプラズマに励起する空間を
与える。プラズマ室１の内部には絶縁物２によって支持
されるアンテナ６が中心軸上に設けられる。アンテナは
コイル状でなく、直線状である。マイクロ波の波長（１
２２ｍｍ）の少なくとも１／４（３１ミリ）とする。ア
ンテナはコイル状に巻いていないからチャンバ１（プラ
ズマ室）の直径は小さい。

【００２５】円筒形の永久磁石３がプラズマ室１の外周
に設けられる。磁石はチャンバの形状に応じて、より長
くより細いものになる。永久磁石は縦磁場を生じるもの
であるから、軸方向の一方がＮ極、他方がＳ極というふ
うに軸方向に磁化されている。永久磁石は筒状でなくて
もよい。複数の棒磁石をチャンバ外周に並べても良い。
永久磁石３は磁石止め９によって固定される。チャンバ
１の前方には広いフランジ７があり、他の真空容器に接
続できるようになっている。

【００２６】フランジ７には有孔電極８が取り付けられ
る。イオン源とする場合は、プラズマからイオンを引き
出すために出口に複数の電極を設ける。それぞれ、正の
高圧、負の低圧、大地電圧を印加するように３つの組み
の電極を設置する事が多い。ラジカル源とする場合は電
極は不要である。取り外すかあるいは電極に電圧をかけ
ないようにする。

【００２７】原料ガス入り口４からチャンバ１内に原料
ガスが導入される。アンテナ６を電流導入端子１１によ
って固定したアンテナフランジ１２が、プラズマ室１の
端面にボルトによって固着される。ガスケット１３を挟
んでいるからプラズマ室１の真空が維持される。

【００２８】永久磁石によって、チャンバの内部に軸方
向の磁力線ができる。永久磁石の作る磁界の半径方向の
分布は、磁石の内周面で磁場が強く中心軸で最も弱くな
る。軸方向の磁場の変化は一様でないが、中心で最大に
なり、それから離れると弱くなる。中心での磁場を共鳴
磁場より高くしておく。中心から離れた２点または４点
で共鳴磁場に等しくなる。ここではＥＣＲ共鳴点１０を
４つ示している。

【００２９】マイクロ波の共鳴吸収が盛んに起こって、
チャンバ１内にプラズマ５が生成される。プラズマの内
イオンを引き出すとイオン源になる。その場合は電極に
電圧を掛けて、電界の作用によってイオンビ−ムを引き
出す。プラズマの内ラジカルを差圧によって引き出すと
ラジカル源となる。何れにしても出口１４からビームと
して出て行く。

【００３０】

【実施例】永久磁石の長さは４０ｍｍとした。アンテナ
は直線状で長さは６０ｍｍである。マイクロ波は２．４
５ＧＨｚであり波長λは１２２ｍｍであるから、アンテ
ナがλ／４以上であるという条件を満たす。永久磁石の
寸法、端面磁場を適当に選んで、チャンバ軸線上であっ
て中央部の磁場が１．２ｋＧになるようにした。３０Ｗ
〜１００Ｗのパワーのマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）
を、プラズマ室にアンテナを通じて導いた。アルゴンガ
スをプラズマ生成用のガスとして用いた。ガス流量は
０．２ｃｃｍ〜１ｃｃｍとした。マイクロ波によってプ
ラズマが生成された。磁場が８７５Ｇ付近の領域でプラ
ズマが生成されている事が確認された。共鳴領域は４つ
存在した。チャンバ出口の孔径は２．５ｍｍφである。

【００３１】イオン飽和電流密度が４０ｍＡ／ｃｍ² の
時、プラズマ密度２×１０¹²／ｃｍ³ のプラズマが生成
された。これは従来と同等の濃度である。アンテナの寿
命は従来のワンターンコイル型の場合２時間程度であっ
たものが、本発明の直線アンテナにすることによって１
０時間に伸びた。大幅な寿命の伸びである。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、アンテナは直線状で軸
方向に長くなっている。永久磁石も軸方向に長くなって
いる。アンテナの形状が単純であるからアンテナの製造が容
易で安価である。同じものができるからアンテナ交換の度にプラズマ生
成条件の設定を変える必要がない。

【００３３】永久磁石が長く、アンテナも長いので共
鳴条件を満たす領域の数、領域の容積が増える。プラズ
マ生成が容易確実になる。コイル状のアンテナを使わないからチャンバが細くな
り、磁石やフランジなどを小型にできる。ＩＣＦ７０
（直径が７０ｍｍ）の小さなフランジにも取り付ける事
ができる。フランジを小さくできるからプラズマ室と
被処理物の距離を短くできる。

【００３４】チャンバ径が小さく、磁気回路の磁気抵
抗が下がる。図２に示したもののように、ことさら強磁
性体を挿入して異種金属に溶接する必要がない。溶接し
ないから溶接不良によるリークの恐れはない。アンテナの根元で放電が起こらないからマイクロ波窓
が汚染されず、長い時間に渡ってマイクロ波を導入する
事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るプラズマ室の概略断面
図。

【図２】J.Ishikawa, Y.Takeiri and T. Takagi,"Axial
magnetic field extracton-type microwave ion sourc
e with a permanent magnet", Rev. Sci.Instrum. 55
(4), April 1984, p449(1984)に提案されたイオン源の
断面図。

【符号の説明】

１プラズマ室２絶縁物３永久磁石４ガス入り口５プラズマ６アンテナ７フランジ８電極９磁石止め１０ＥＣＲ共鳴点１１電流導入端子１２フランジ１３ガスケット１４出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスを励起してプラズマとするプラズマ
室と、マイクロ波波長の１／４以上の長さを有しマイク
ロ波をプラズマ室に導入するための直線状のアンテナ
と、プラズマ室の外周に設けられ軸方向の磁場を生成す
る永久磁石とを含み、プラズマ室中心線の中心部の磁場
が共鳴磁場より高くなっている事を特徴とする永久磁石
によるＥＣＲ共鳴を利用するプラズマ生成機構。