JPH09270233A - Coaxial ecr plasma generating device - Google Patents

Coaxial ecr plasma generating device

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Publication number
JPH09270233A
JPH09270233A JP10435096A JP10435096A JPH09270233A JP H09270233 A JPH09270233 A JP H09270233A JP 10435096 A JP10435096 A JP 10435096A JP 10435096 A JP10435096 A JP 10435096A JP H09270233 A JPH09270233 A JP H09270233A
Authority
JP
Japan
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plasma
coaxial
plasma chamber
chamber
tube
Prior art date
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Pending
Application number
JP10435096A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideki Fujita
秀樹 藤田
Akira Adachi
明 安立
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Nissin Electric Co Ltd filed Critical Nissin Electric Co Ltd
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Publication of JPH09270233A publication Critical patent/JPH09270233A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To constantly monitor the spectrum of plasma luminescence in a plasma chamber, to confirm the composition and density of plasma, by providing a spectral port and a light leading tube on a coaxial ECR plasma generating device. SOLUTION: A microwave generated by a microwave oscillator is conducted in a coaxial tube cable 17, to be entered into an antenna 7 from a conductor 15. Since a coaxial tube 9 is connected to a chamber 5, the chamber 5 has electric potential same as that of the earth wire of the cable 17. The microwave enters into the plasma chamber 5 by the antenna 7 and the tube 9. A permanent magnet 6 is installed in the periphery of a side wall 44, thereby generating an axial direction magnetic field in the inside of the chamber 5. Gas enters into the chamber 5, and the microwave is transmitted to the antenna 7, to be entered into the chamber 5. A magnetic field is generated in the inside of the plasma chamber by the magnet 6, the gas is converted into plasma by the microwave, and a neutral radical is sprung out from an outlet 14, to be struck to a substrate, thereby forming a thin coat.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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ラジ
カルをビームとして引き出し薄膜成長に利用する。特
に、プラズマ発光を分光観察しながらラジカルを試料に
照射できるプラズマ発生装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a plasma generation mechanism that causes a source gas to be resonantly excited by microwaves to generate plasma. Radicals are extracted as a beam from the generated plasma and used for thin film growth. In particular, the present invention relates to a plasma generator capable of irradiating a sample with radicals while spectrally observing plasma emission.

【0002】[0002]

【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
2. Description of the Related Art Ishikawa et al. Have proposed a device for generating a high-density plasma by generating a longitudinal magnetic field using a permanent magnet and causing an electron resonance with respect to a microwave introduced by a coil type antenna. Junzo Ishikawa, Yasuhiko Takeiri and Toshinori T
akagi, "Axial magnetic field extraction-type microwa
ve ion source with a permanent magnet ", Rev. Sci.
Instrum. 55 (4), April 1984, p449

【0003】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。
FIG. 2 shows a schematic structure. This produces a longitudinal magnetic field in the chamber 21 by the permanent magnet 20. Raw material gas is introduced from the gas inlet 28 into the chamber 21.
Will be introduced. The microwave 30 transmitted through the waveguide 29 is guided to the chamber 21 by the antenna 22. The electrons contained in the gas are vibrated by the microwave. The electron moves cyclotron by the magnetic field and absorbs the microwave resonantly. The electrons excite gas molecules and convert them into plasma. Extraction electrodes 23 and 24 are provided in front of the chamber 21, and ions are accelerated and extracted as an ion beam 31.

【0004】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
状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2
3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。
The antenna 22 has a shape in which the end of a straight line portion is wound one turn in a lateral coil shape 39. Since it is a coiled antenna, the chamber expands laterally. In order to strengthen the magnetic field generated by the permanent magnet 20, the magnetic extraction electrode 2 is used.
3 and the relay ring 38 made of a ferromagnetic material are used. Since the chamber 21 side and the extraction electrode 23 side have different voltages, they are insulated by the insulator 25. The ferromagnetic relay wheel 38, the insulator 25, and the ferromagnetic lead electrode 24 are welded to each other.

【0005】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。小型イオン源を与える。 特願平6ー183922号(H6.7.12出願「E
CRイオンラジカル源」特開平8−31358号)
A cooling medium 37 passes through the base flange 36. The intermediate flange 26 is also made of a ferromagnetic material. A magnetic circuit is formed by the permanent magnet 20, the extraction electrodes 23 and 24, and the intermediate flange 26. This is for strengthening the magnetic field lines in the chamber by the permanent magnets. The upper flange 27 is a non-magnetic material. A heater 34 for heating is wound around this. It is stated that an ion beam of a gas such as argon or nitrogen introduced from the gas inlet 28 can be extracted. Gives a small ion source. Japanese Patent Application No. 6-183922 (H6.7.12 application “E
CR ion radical source "JP-A-8-31358)

【0006】これは本発明者がの装置からヒントを得
てイオン源にもラジカル源にもなるものとして創案した
ものである。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だそうとするも
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。
[0006] This was invented by the present inventor as an ion source and a radical source, with a hint from the device. The antenna which is bent for one turn is passed through the chamber, and microwaves are introduced by the antenna to turn the gas into plasma and to pull out radicals or ions to the outside. Since it is difficult to excite gas only with microwaves, a magnetic field is applied so that electrons resonate with cyclotron. A magnet is provided outside the plasma chamber to generate a vertical magnetic field.

【0007】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。
When the frequency of the microwave is 2.45 GHz, when a magnetic field of 875 G is generated by the magnet, the frequency of the spiral motion of the electron matches the microwave frequency, and thus cyclotron resonance occurs. It can efficiently absorb energy from microwaves and excite gas molecules into neutral radicals. ECR because it uses the resonance absorption of microwaves
That.

【0008】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。
This allows the ion beam to be extracted by applying a voltage to the extraction electrode. Neutral radicals can be extracted by setting the electrode voltage to 0 and applying a differential pressure. It is called an ion radical source because it can selectively emit both ion beams and radicals. It can be used for two purposes.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】はマイクロ波でプラ
ズマ生成しイオンビ−ムとして外部に取り出すためのイ
オン源である。はイオン源としてもラジカル源として
も利用できる。いずれにしても単体で使用するものであ
る。本発明はそうではなくて、分子線エピタキシャル成
長装置(MBE)において分子線セルの代わりに使える
ラジカル源に関する。本発明の目的はMBE装置に最適
の新規な部品に関するもので、初めに分子線エピタキシ
ャル成長法を説明する。
An ion source for generating a plasma by a microwave and extracting it as an ion beam to the outside is disclosed. Can be used as both an ion source and a radical source. In any case, it is used alone. The present invention is instead concerned with a radical source that can be used in place of a molecular beam cell in a molecular beam epitaxial growth apparatus (MBE). The object of the present invention relates to a novel component suitable for an MBE apparatus, and a molecular beam epitaxial growth method will be described first.

【0010】MBE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。
The MBE apparatus is an apparatus for forming a thin film by irradiating a heated substrate with a molecular beam of a raw material in an ultrahigh vacuum to cause a gas phase reaction. A K cell or a molecular beam cell is used to make the raw material a molecular beam. The crucible of PBN, the heater, the reflector, the support, the thermocouple, etc., and the support is fixed to the ultra-high vacuum flange. Such is a molecular beam cell. This is to evaporate what is solid at room temperature to form a molecular beam by heating. In many cases, the heat-evaporation can make the molecular beam sufficiently reactive.

【0011】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。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方が良い。しかし先述のは分
子線エピタキシャル成長装置に取り付けるのは不適であ
る。幅が大きすぎて長さが足りない。コイルアンテナを
使い、短い円筒永久磁石を利用しているから、幅が大き
く短いものである。本発明はMBE装置において分子線
セルの代わりのラジカル源(ラジカルセル)として好適
に使えるプラズマ生成機構を初めて与える。
However, in the case of a certain limited material, it may be impossible to form a thin film by simply using a molecular beam because of its poor reactivity. For example, in the case of nitrogen gas, it is a gas from the beginning and is a stable gas. The reaction does not occur even with molecular beams. In such a case, it is better to use radical rays instead of molecular beams. However, the above-mentioned is not suitable to be attached to a molecular beam epitaxial growth apparatus. The width is too large and the length is insufficient. Since the coil antenna is used and a short cylindrical permanent magnet is used, the width is large and short. The present invention provides for the first time a plasma generation mechanism that can be suitably used as a radical source (radical cell) instead of a molecular beam cell in an MBE apparatus.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ発生装
置は、MBE装置のセル取り付けフランジに固定できる
超高真空フランジと、超高真空フランジの偏心位置にお
いてフランジに直角に設けられる同軸管と、同軸管の先
端に偏心して設けられガスを励起してプラズマにし出口
よりラジカルを放出するプラズマ室と、同軸管の内部に
挿通される円柱状の絶縁物と、絶縁物の中に挿入されて
先端がプラズマ室に露出する直線状のアンテナと、超高
真空フランジを貫きプラズマ室の内部にガスを導入する
ガス管と、超高真空フランジを貫いてプラズマ室まで挿
通されプラズマ室内部のプラズマを外部から分光観察す
るための導光管と、同軸管の内部にあって外部の大気圧
と内部の真空を遮断し外部から与えられるマイクロ波を
アンテナに伝達するための電流導入端子と、超高真空フ
ランジを貫き同軸管の周囲に設けられこれを冷却する為
の媒体を通す冷却管と、プラズマ室の周囲に設けられプ
ラズマ室の内部に軸方向の磁場を発生する永久磁石とよ
りなることを特徴とする。
A plasma generator according to the present invention comprises an ultra-high vacuum flange which can be fixed to a cell mounting flange of an MBE device, and a coaxial tube which is provided at a right angle to the flange at an eccentric position of the ultra-high vacuum flange. A plasma chamber that is provided eccentrically at the tip of the coaxial tube to excite gas to turn it into plasma and release radicals from the outlet, a cylindrical insulator inserted inside the coaxial tube, and a tip inserted into the insulator Is exposed to the plasma chamber, a gas pipe that penetrates the ultra-high vacuum flange to introduce gas into the plasma chamber, and a gas pipe that penetrates the ultra-high vacuum flange to the plasma chamber and allows the plasma inside the plasma chamber to be exposed to the outside. The light guide tube for spectroscopic observation from the inside and the external atmospheric pressure and internal vacuum that are inside the coaxial tube and transmit the microwave given from the outside to the antenna For introducing a current, a cooling pipe that penetrates the ultra-high vacuum flange and is provided around the coaxial tube for passing a medium for cooling the coaxial tube, and an axial magnetic field is provided around the plasma chamber inside the plasma chamber. It is characterized by comprising a permanent magnet that is generated.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】超高真空フランジを分子線エピタ
キシャル成長装置の分子線セル取り付けフランジに固定
する。外部からガスをプラズマ室に導入し、マイクロ波
をアンテナからプラズマ室に入れると、ガスがマイクロ
波によって励起される。永久磁石によってマイクロ波共
鳴吸収させるとガス励起効率が上がる。プラズマ室は同
軸管によって超高真空フランジに支持される。ガス管も
冷却管もさらに分光導光管も超高真空フランジによって
支持される。さらに同軸管、絶縁物によってプラズマと
フランジを遠く隔離した構造であるから、フランジに直
角な方向に長くなる。分子線セルに似た縦長形状になり
分子線セルのポートにそのまま取り付けることができ
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An ultra high vacuum flange is fixed to a molecular beam cell mounting flange of a molecular beam epitaxial growth apparatus. When gas is introduced into the plasma chamber from the outside and microwaves are introduced into the plasma chamber from the antenna, the gas is excited by the microwaves. Gas excitation efficiency increases when microwave resonance is absorbed by a permanent magnet. The plasma chamber is supported on the ultra-high vacuum flange by a coaxial tube. Both the gas tubes, the cooling tubes and the spectral light guides are supported by ultra-high vacuum flanges. Further, since the plasma and the flange are separated from each other by the coaxial tube and the insulator, the length becomes longer in the direction perpendicular to the flange. It becomes a vertically long shape similar to a molecular beam cell and can be attached to the port of the molecular beam cell as it is.

【0014】さらにプラズマ室内部のプラズマ発光を観
察するための導光管を設けているから、発光を分光して
プラズマの状態をin-situに観察できる。プラズマはイ
オン、中性活性種、電子、中性分子などの集合である。
励起状態にあるものは光を発生して基底状態に落ちる。
その光を分光分析すればどのような励起状態のイオンや
ラジカルが存在するかという事が分かる。それによって
マイクロ波の電力を制御する。このようなプラズマを分
光分析するのは分子線エピタキシャル成長法においては
全く新規なことである。
Further, since the light guide tube for observing the plasma emission inside the plasma chamber is provided, the emission can be dispersed to observe the state of plasma in-situ. Plasma is an assembly of ions, neutral active species, electrons, neutral molecules, and the like.
Those in the excited state generate light and fall to the ground state.
The spectroscopic analysis of the light reveals what kind of excited state ions and radicals exist. This controls the microwave power. Spectroscopic analysis of such plasma is completely new in the molecular beam epitaxial growth method.

【0015】RIE(リアクティブイオンエッチング)
においてはエッチングの終点を検出するためにプラズマ
の分光分析する。例えばガラスをエッチングしてその下
地のSiにまで到達すると、そこでプラズマのスペクト
ルが変わるので終点が分かる。そこでエッチングを停止
する。これは対象物から出る物質によってスペクトルが
変化する場合である。それ以外にプラズマの分光分析を
した例はない。いわんや分子線エピタキシャル成長法に
おいてプラズマの分光分析をした例はない。分子線エピ
タキシャル成長法では分子線を飛ばすのがふつうであ
り、プラズマが介在する余地がなかった。しかし本発明
のようにプラズマからラジカルを生成する場合は、プラ
ズマの状態を監視して最適の状態でラジカルを作るとい
うことが必要になる。
RIE (Reactive Ion Etching)
In the above, a plasma spectroscopic analysis is performed to detect the end point of etching. For example, when the glass is etched to reach the underlying Si, the plasma spectrum changes there, so that the end point can be known. Therefore, etching is stopped. This is the case when the spectrum changes depending on the substance emitted from the object. There is no other example of spectroscopic analysis of plasma. In other words, there is no example of plasma spectroscopic analysis in the molecular beam epitaxial growth method. In the molecular beam epitaxial growth method, it is usual to fly the molecular beam, and there is no room for plasma to intervene. However, when radicals are generated from plasma as in the present invention, it is necessary to monitor the state of plasma and generate radicals in an optimum state.

【0016】そのために導光管を外部からプラズマ室に
挿入し、直接に光を外部に取り出す。これは単なる空心
のチューブである。しかしチューブの代わりにライトガ
イド(光ファイバ、石英ガラスロッド)を使う事もでき
る。本発明の特徴の一つは、プラズマのリアルタイムの
分光観察にある。
Therefore, the light guide tube is inserted into the plasma chamber from the outside, and the light is directly extracted to the outside. This is just an empty-core tube. However, a light guide (optical fiber, quartz glass rod) can be used instead of the tube. One of the features of the present invention is real-time spectroscopic observation of plasma.

【0017】さらにプラズマ室に対する同軸管の偏心、
同軸管のフランジに対する偏心ということも重要であ
る。フランジを貫いて、プラズマ室に連絡するものは、
同軸管、導光管、ガス管、冷却管2本である。プラズマ
室を力学的に支持するのは同軸管である。しかも同軸管
の中心をアンテナが貫いている。プラズマ室の中心軸を
p、同軸管の中心軸をq、超高真空フランジの中心軸を
rとする。アンテナがプラズマ室の中央にあるべきであ
るとすると、同軸管中心qとプラズマ室中心pが等しく
なければならない。
Furthermore, the eccentricity of the coaxial tube with respect to the plasma chamber,
Eccentricity of the coaxial tube with respect to the flange is also important. The one that penetrates the flange and connects to the plasma chamber,
A coaxial pipe, a light guide pipe, a gas pipe, and two cooling pipes. A coaxial tube mechanically supports the plasma chamber. Moreover, the antenna penetrates the center of the coaxial tube. The central axis of the plasma chamber is p, the central axis of the coaxial tube is q, and the central axis of the ultrahigh vacuum flange is r. If the antenna should be in the center of the plasma chamber, then the coaxial tube center q and the plasma chamber center p must be equal.

【0018】つまりq=pであろう。さらにプラズマ室
の中心pとフランジrの中心を合致させるべきであると
考えるであろう。つまりp=rを要求するであろう。こ
のようなプラズマ生成装置はかつて存在しなかったので
例を挙げることはできないが、r=q=pとなるべきな
のは当然であろう。同軸管が力学的にプラズマ室を支え
ているからである。
That is, q = p. It will be further considered that the center p of the plasma chamber and the center of the flange r should be aligned. That is, one would request p = r. Since such a plasma generation device has never existed, an example cannot be given, but it should be understood that r = q = p. This is because the coaxial tube mechanically supports the plasma chamber.

【0019】しかしそのようにすると、プラズマ室の壁
を貫いてガス管と導光管を設けなければならず、同軸管
が中心にあってガス管、導光管が端にあるとすれば、プ
ラズマ室の後壁が広くなくてはならない。プラズマ室の
後壁が広いと当然に取り付けポートが広くなければなら
ない。ために超高真空フランジが広くなる。同軸管を中
心に据えるとどうしてもフランジの外径は114mm以
下にはならない。
However, in that case, the gas pipe and the light guide pipe must be provided through the wall of the plasma chamber, and if the coaxial pipe is at the center and the gas pipe and the light guide pipe are at the ends, The rear wall of the plasma chamber must be wide. If the rear wall of the plasma chamber is wide, the mounting port must be wide. Therefore, the ultra high vacuum flange becomes wider. If the coaxial pipe is placed at the center, the outer diameter of the flange cannot be reduced to 114 mm or less.

【0020】114mm或いはそれ以上の外径のフラン
ジを固定できる取り付けポートを持つMBE装置は存在
しないわけではないが特殊なものになる。通常のMBE
装置の分子線セルの取り付けポートは70mm径の超高
真空フランジしか取り付けることができない。フランジ
の大きさは段階的に規格化されており、日本では114
mmのすぐ下は70mmである。もちろん中間のサイズ
のポートを作ることはできるが特注品になる。
MBE devices with mounting ports to which flanges with an outer diameter of 114 mm or more can be fixed are not exclusive, but special. Normal MBE
The attachment port of the molecular beam cell of the device can only attach an ultra high vacuum flange with a diameter of 70 mm. The size of the flange is standardized in stages, and in Japan it is 114
Just below mm is 70 mm. Of course, it is possible to make an intermediate size port, but it will be a custom-made product.

【0021】導光管を省けば、同軸管を中心にしても7
0mm外径のフランジに取り付けることができよう。し
かし導光管がないとプラズマを分光分析できない。なん
とかプラズマを光学的に直接監視したいものである。
If the light guide tube is omitted, the center of the coaxial tube is 7
It could be mounted on a 0 mm outer diameter flange. However, without a light guide tube, plasma cannot be spectrally analyzed. Somehow I want to monitor the plasma directly and optically.

【0022】そこで本発明では同軸管をプラズマ室の中
心とフランジの中心から離している。同軸管中心qはフ
ランジ中心rから逸れている。またプラズマ室中心pか
らもずれている。つまりq≠rかつq≠pである。pと
rの関係に関してはp=rであっても、p≠rであって
も良い。こうすると導光管とガス管をプラズマ室の後壁
の一方に配置し同軸管を他方に配置することによって、
プラズマ室の後壁を狭くできる。為に永久磁石を含む全
体をより小さくでき、超高真空フランジもより小径にす
ることができる。これによってフランジの外径を70m
mにすることができる。
Therefore, in the present invention, the coaxial tube is separated from the center of the plasma chamber and the center of the flange. The coaxial tube center q deviates from the flange center r. It is also deviated from the center p of the plasma chamber. That is, q ≠ r and q ≠ p. The relationship between p and r may be p = r or p ≠ r. By arranging the light guide tube and the gas tube on one of the rear walls of the plasma chamber and the coaxial tube on the other side,
The rear wall of the plasma chamber can be narrowed. Therefore, the entire size including the permanent magnet can be made smaller, and the ultra high vacuum flange can be made smaller. This makes the outer diameter of the flange 70m
m.

【0023】[0023]

【実施例】図1によって本発明の実施例に係るプラズマ
発生装置を説明する。取付フランジ(超高真空フラン
ジ)1は分子線エピタキシャル成長装置(MBE)の分
子線セルのポートに固定されるべき円板状の板である。
直径が70mm(ICF70)である。フランジ1の中
心rでない位置に直角に同軸管9が固定される。同軸管
9の先端に偏心位置にプラズマ室5が設けられる。同軸
管の位置が、フランジ1、プラズマ室5に対して偏心位
置にあるという事が重要である。同軸管の中心qとプラ
ズマ室の中心pはdだけ偏心している。先述のように、
q≠rかつr≠pである。p≠rであっても良いしp=
rであっても良い。
EXAMPLE A plasma generator according to an example of the present invention will be described with reference to FIG. The mounting flange (ultra high vacuum flange) 1 is a disk-shaped plate to be fixed to the port of the molecular beam cell of the molecular beam epitaxial growth apparatus (MBE).
The diameter is 70 mm (ICF70). The coaxial tube 9 is fixed at a position other than the center r of the flange 1 at a right angle. The plasma chamber 5 is provided at the eccentric position at the tip of the coaxial tube 9. It is important that the position of the coaxial tube is eccentric with respect to the flange 1 and the plasma chamber 5. The center q of the coaxial tube and the center p of the plasma chamber are eccentric by d. As mentioned earlier,
q ≠ r and r ≠ p. It may be p ≠ r or p =
It may be r.

【0024】プラズマ室5の後壁42の同軸管9のない
方の空間にガス管3と導光管2が同軸管9と平行に設け
られる。いずれもプラズマ室5の内部とフランジ1の外
部を連絡するようになっている。ガス管3は外部のガス
ポート13においてガスボンベを連結するようになって
いる。原料ガスはガスボンベからガスポート13、ガス
管3を通りガス入口47からプラズマ室5に入る。
A gas tube 3 and a light guide tube 2 are provided in parallel with the coaxial tube 9 in a space on the rear wall 42 of the plasma chamber 5 where the coaxial tube 9 is not present. In both cases, the inside of the plasma chamber 5 is connected to the outside of the flange 1. The gas pipe 3 connects a gas cylinder at an external gas port 13. The source gas enters the plasma chamber 5 from the gas cylinder through the gas port 13, the gas pipe 3 and the gas inlet 47.

【0025】導光管2は中空のパイプであって、プラズ
マ室5の開口46とフランジ外部の分光用ポート12を
連結している。これは透明の石英ロッドによって置き換
えることもできる。これはプラズマの発光状態を分光分
析するためのものである。プラズマの存在非存在(つま
り点灯消灯)だけでなく、イオンの濃度やラジカルの種
類や濃度もわかる。分子線エピタキシャル成長法におい
てECRプラズマを分光分析したものはかつてない。本
発明はプラズマの状態をin-situ に監視し、常に最適の
状態でラジカルを基板に照射することができる。
The light guide tube 2 is a hollow pipe, and connects the opening 46 of the plasma chamber 5 and the spectroscopic port 12 outside the flange. It can also be replaced by a transparent quartz rod. This is for spectroscopic analysis of the emission state of plasma. Not only the presence / absence of plasma (that is, turning on / off), but also the concentration of ions and the type and concentration of radicals are known. There has never been a spectroscopic analysis of ECR plasma in the molecular beam epitaxial growth method. The present invention can monitor the state of plasma in-situ and always irradiate the substrate with radicals in an optimum state.

【0026】同軸管の内部には絶縁物10が充填されそ
の中心部には直線のアンテナ7が挿通されている。絶縁
物10はアンテナ7と同軸管9を絶縁するものである。
真空を維持する作用はない。真空を保持するのは電流導
入端子8である。これは円板状の絶縁物の中心に導体1
5が貫いた構造になっている。導体15には前後に軸方
向の穴がある。電流導入端子8のアンテナ側は真空に、
反対の方は大気圧になっている。外部においては同軸ケ
ーブル17の芯線18がその穴に挿入される。真空側に
おいてはアンテナ7後端のピン16が穴に差し込まれ
る。これら前後の穴は相互に連通しない。真空をここで
維持しなければならないからである。
An insulator 10 is filled inside the coaxial tube, and a linear antenna 7 is inserted through the center of the insulator 10. The insulator 10 insulates the antenna 7 and the coaxial tube 9 from each other.
There is no function to maintain the vacuum. It is the current introducing terminal 8 that holds the vacuum. This is the conductor 1 at the center of the disk-shaped insulator.
It has a structure that 5 penetrates. The conductor 15 has an axial hole in the front and rear. The antenna side of the current introduction terminal 8 is evacuated,
The other side is atmospheric pressure. Externally, the core wire 18 of the coaxial cable 17 is inserted into the hole. On the vacuum side, the pin 16 at the rear end of the antenna 7 is inserted into the hole. These front and rear holes do not communicate with each other. This is because the vacuum must be maintained here.

【0027】マイクロ波発振器で発生したマイクロ波は
同軸管ケーブル17を伝搬する。ケーブル17のアース
線は同軸管9に接続する。マイクロ波は導体15からア
ンテナ7に入る。同軸管9はチャンバ5(プラズマ室)
に接続されているから、チャンバはケーブルのアース線
と同電位になる。アンテナと同軸管によってマイクロ波
がプラズマ室に入る。
The microwave generated by the microwave oscillator propagates through the coaxial tube cable 17. The ground wire of the cable 17 is connected to the coaxial tube 9. The microwave enters the antenna 7 from the conductor 15. The coaxial tube 9 is a chamber 5 (plasma chamber)
The chamber is at the same potential as the ground wire of the cable. Microwaves enter the plasma chamber by the antenna and coaxial tube.

【0028】プラズマ室5の前壁43の中心には出口1
4が開口する。側壁44の周囲には円筒状の永久磁石6
が設置される。これは軸方向に着磁しており、プラズマ
室5の内部に軸方向の磁界を生ずる。永久磁石6の外径
は35mm以下である。
The outlet 1 is provided at the center of the front wall 43 of the plasma chamber 5.
4 opens. A cylindrical permanent magnet 6 is provided around the side wall 44.
Is installed. It is magnetized in the axial direction and produces a magnetic field in the axial direction inside the plasma chamber 5. The outer diameter of the permanent magnet 6 is 35 mm or less.

【0029】ガスがガスポート13、ガス管3、入口4
7を経てプラズマ室に入る。マイクロ波は同軸管ケーブ
ルから同軸管・アンテナを伝ってプラズマ室に入る。永
久磁石6によってプラズマ室内部には875Gの磁場が
生じている。マイクロ波が共鳴吸収されてガスがプラズ
マに変換される。内外の圧力差があるので、出口14か
ら中性ラジカルがラジカル線となって飛び出す。これが
基板(図示しない)に当たって薄膜を形成する。
The gas is gas port 13, gas pipe 3, inlet 4
Enter the plasma chamber via 7. The microwave enters the plasma chamber through the coaxial tube cable, the coaxial tube and the antenna. A magnetic field of 875 G is generated inside the plasma chamber by the permanent magnet 6. The microwave is resonantly absorbed and the gas is converted into plasma. Since there is a pressure difference between the inside and the outside, neutral radicals fly out as radical lines from the outlet 14. This hits a substrate (not shown) to form a thin film.

【0030】多くの材料は分子線セル(K−セル)によ
って扱える。ラジカル源によって扱えるのは窒素、アル
ゴン、酸素などである。アルゴンは薄膜形成には使わな
いし酸素は別異の形態で薄膜に取り込むこともできる。
どうしてもラジカル源を必要とするのは窒素である。プ
ラズマの分光分析によって、窒素のラジカルの状態を正
確に知る事ができる。Nのラジカル、N2 のラジカルが
できるがその発光スペクトルが違う。分光していずれの
ラジカルがどれほどの濃度で存在するかどうか分明にな
る。つまりプラズマの組成濃度を知る事ができる。一種
類のガスの場合はそのようなラジカルの種類を見分ける
ことができる。
Many materials can be handled by molecular beam cells (K-cells). The radical source can handle nitrogen, argon, oxygen, etc. Argon is not used for thin film formation, and oxygen can be incorporated into the thin film in a different form.
It is nitrogen that absolutely needs a radical source. It is possible to accurately know the state of nitrogen radicals by plasma spectroscopic analysis. N radicals and N 2 radicals are produced, but their emission spectra are different. Spectral analysis reveals which radicals are present and in what concentration. That is, the composition concentration of plasma can be known. In the case of one type of gas, the type of such radicals can be distinguished.

【0031】さらに複数のガスを導入した場合は、色の
違いによって、どのガスがラジカルになっているのか分
かる。アルゴンは青色、窒素は赤紫、酸素は白の光を発
する。分光すれば組成まで分かる。
Further, when a plurality of gases are introduced, it is possible to know which gas is a radical due to the difference in color. Argon emits blue light, nitrogen emits magenta, and oxygen emits white light. The composition can be known by spectroscopy.

【0032】プラズマにガスを励起することによって熱
が発生する。冷却管4に冷却水40を通して同軸管9の
頸部を冷却している。頸部に冷却水管4をコイル19状
に巻き廻している。直接にプラズマ室5の廻りに巻くの
が冷却効率からは望ましいのであるが永久磁石6がある
のでそれができない。永久磁石の外周に巻くと直径が増
えすぎて小さいフランジに取り付ける事ができないから
である。
Heat is generated by exciting the gas into the plasma. Cooling water 40 is passed through the cooling pipe 4 to cool the neck of the coaxial pipe 9. The cooling water pipe 4 is wound around the neck in a coil 19 shape. Although it is desirable to wind it around the plasma chamber 5 directly from the viewpoint of cooling efficiency, it cannot be done because of the permanent magnet 6. The reason is that if it is wound around the outer circumference of the permanent magnet, the diameter will increase too much to attach it to a small flange.

【0033】小さいフランジ(70mm径)に取り付け
ることができるように本発明は、同軸管9を偏心させて
いる。超高真空フランジ(取付フランジ)1において偏
心位置に同軸管の通し穴48を穿っている。またプラズ
マ室5の後壁42に偏心して同軸管の取付部49を設け
ている。これはガス管3や導光管2をも通すためであ
る。同軸管とガス管3、導光管2を、振り分けて後壁4
2に取り付けることによって、後壁42の面積を小さく
する事に成功している。ためにプラズマ室5、永久磁石
6を小さくできる。ひいては超高真空フランジ1をも7
0mmの小径のものにできる。ために本発明のラジカル
源は通常の分子線エピタキシー装置の分子線セルポート
に取り付けることができる。
According to the invention, the coaxial tube 9 is eccentric so that it can be mounted on a small flange (70 mm diameter). A through hole 48 of the coaxial tube is formed at an eccentric position in the ultra-high vacuum flange (mounting flange) 1. A coaxial tube mounting portion 49 is provided eccentrically on the rear wall 42 of the plasma chamber 5. This is because the gas pipe 3 and the light guide pipe 2 are also passed through. The coaxial tube, the gas tube 3, and the light guide tube 2 are distributed to the rear wall 4
By attaching the back wall 42, the area of the rear wall 42 has been successfully reduced. Therefore, the plasma chamber 5 and the permanent magnet 6 can be made small. As a result, the ultra high vacuum flange 1 is also 7
The diameter can be as small as 0 mm. Therefore, the radical source of the present invention can be attached to the molecular beam cell port of a conventional molecular beam epitaxy apparatus.

【0034】[0034]

【発明の効果】【The invention's effect】

(1)分光ポート、導光管を設けているからプラズマ室
のプラズマ発光のスペクトルを常に監視し、プラズマの
組成や濃度を知る事ができる。所望のラジカルが生成さ
れているかどうかを直接に調べることができる。
(1) Since the spectroscopic port and the light guide tube are provided, it is possible to always monitor the spectrum of plasma emission in the plasma chamber and to know the composition and concentration of plasma. It is possible to directly investigate whether or not the desired radical is generated.

【0035】(2)アンテナを直線にしプラズマ室を小
さくし、同軸管によってプラズマ室を支持するようにし
たので縦長になり分子線エピタキシー装置の部品として
好適な構造になる。
(2) Since the antenna is made linear and the plasma chamber is made small and the plasma chamber is supported by the coaxial tube, the antenna becomes vertically long and the structure is suitable as a component of the molecular beam epitaxy apparatus.

【0036】(3)フランジとプラズマ室に対して同軸
管を偏心させたので分光分析用の導光管を追加したのに
も拘らずプラズマ室の後壁を狭くできる。ためにフラン
ジも小さくできる。既存の分子線エピタキシー装置の分
子線セルポートの直径は70mmであるものが多いが、
それらにも取り付けることができるのである。
(3) Since the coaxial tube is eccentric with respect to the flange and the plasma chamber, the rear wall of the plasma chamber can be narrowed despite the addition of the light guide tube for spectroscopic analysis. Therefore, the flange can be made smaller. Most molecular beam cell ports of existing molecular beam epitaxy devices have a diameter of 70 mm.
They can also be attached to them.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例に係るプラズマ室の概略断面
図。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a plasma chamber according to an embodiment of the present invention.

【図2】J.Ishikawa, Y.Takeiri and T.Takagi,"Axial
magnetic field extracton-typemicrowave ion source
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。
[Fig. 2] J. Ishikawa, Y. Takeiri and T. Takagi, "Axial
magnetic field extracton-type microwave ion source
with a permanent magnet ", Rev. Sci. Instrum. 55 (4),
Cross section of the ion source proposed in April 1984, p449 (1984).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 取付フランジ(超高真空フランジ) 2 導光管 3 ガス管 4 冷却水管 5 プラズマ室 6 永久磁石 7 アンテナ 8 電流導入端子 9 同軸管 10 絶縁物 11 偏心距離 12 分光用ポート 13 ガスポート 14 プラズマ室出口 15 導体 16 ピン 17 同軸ケーブル 18 芯線 19 コイル 20 永久磁石 22 アンテナ 23 引出電極 24 引出電極 26 中間フランジ 27 上部フランジ 28 ガス入口 29 導波管 40 冷却水 42 後壁 43 前壁 44 側壁 46 開口 47 ガス入口 48 同軸管通し穴 49 同軸管取付部 r フランジの中心線 q 同軸管の中心線 q プラズマ室の中心線 1 Mounting Flange (Ultra High Vacuum Flange) 2 Light Guide Tube 3 Gas Tube 4 Cooling Water Tube 5 Plasma Chamber 6 Permanent Magnet 7 Antenna 8 Current Introducing Terminal 9 Coaxial Tube 10 Insulator 11 Eccentric Distance 12 Spectroscopic Port 13 Gas Port 14 Plasma Chamber Outlet 15 Conductor 16 pin 17 Coaxial cable 18 Core wire 19 Coil 20 Permanent magnet 22 Antenna 23 Extraction electrode 24 Extraction electrode 26 Intermediate flange 27 Upper flange 28 Gas inlet 29 Waveguide 40 Cooling water 42 Rear wall 43 Front wall 44 Side wall 46 Opening 47 Gas inlet 48 Coaxial tube through hole 49 Coaxial tube mounting part r Center line of flange q Center line of coaxial tube q Center line of plasma chamber

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 MBE装置のセル取り付けフランジに固
定できる超高真空フランジと、超高真空フランジの偏心
位置においてフランジに直角に設けられる同軸管と、同
軸管の先端に偏心して設けられガスを励起してプラズマ
にし出口よりラジカルを放出するプラズマ室と、同軸管
の内部に挿通される円柱状の絶縁物と、絶縁物の中に挿
入されて先端がプラズマ室に露出する直線状のアンテナ
と、超高真空フランジを貫きプラズマ室の内部にガスを
導入するガス管と、超高真空フランジを貫いてプラズマ
室まで挿通されプラズマ室内部のプラズマを外部から分
光観察するための導光管と、同軸管の内部にあって外部
の大気圧と内部の真空を遮断し外部から与えられるマイ
クロ波をアンテナに伝達するための電流導入端子と、超
高真空フランジを貫き同軸管の周囲に設けられこれを冷
却する為の媒体を通す冷却管と、プラズマ室の周囲に設
けられプラズマ室の内部に軸方向の磁場を発生する永久
磁石とよりなることを特徴とする同軸型ECRプラズマ
発生装置。
1. An ultra-high vacuum flange that can be fixed to a cell mounting flange of an MBE device, a coaxial tube that is provided at a right angle to the flange at an eccentric position of the ultra-high vacuum flange, and a gas that is eccentrically provided at the tip of the coaxial tube to excite gas A plasma chamber that turns the plasma into plasma and emits radicals from the outlet, a cylindrical insulator that is inserted into the coaxial tube, and a linear antenna that is inserted into the insulator and has its tip exposed to the plasma chamber, Coaxial with a gas tube that penetrates the ultra-high vacuum flange to introduce gas into the plasma chamber, and a light guide tube that penetrates the ultra-high vacuum flange to the plasma chamber and allows spectroscopic observation of the plasma inside the plasma chamber from the outside. It penetrates through the ultra-high vacuum flange and the current introducing terminal inside the tube that blocks the external atmospheric pressure and the internal vacuum and transmits the microwave given from the outside to the antenna. It is characterized in that it comprises a cooling pipe which is provided around the coaxial pipe and through which a medium for cooling the coaxial pipe is passed, and a permanent magnet which is provided around the plasma chamber and generates an axial magnetic field inside the plasma chamber. Coaxial ECR plasma generator.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010251323A (en) * 2009-04-16 2010-11-04 Siemens Ag Ion source for generating charged particle beam, electrode for ion source, and method of introducing gas ionized in ion source

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