JPH09274999A - プラズマ生成用マイクロ波電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ生成室４内の広い空間にプラズマを
生成するためにプラズマ生成室４に複数のアンテナ５を
配置してマイクロ波を導入する場合に使用するマイクロ
波電源装置の小型化・低コスト化を図る。 【解決手段】 プラズマ生成用マイクロ波電源装置は、
マイクロ波電源部１から出力されたマイクロ波の供給先
をマイクロ波スイッチ２により周期的に切り替えながら
各アンテナ５へ分岐（時分割）してマイクロ波を出力す
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、イオン源等のプラ
ズマ生成を必要とする装置に供され、プラズマ生成室に
マイクロ波電力を供給するマイクロ波電源装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、イオンビームを利用した薄膜形成
技術の発展に伴い、イオン源等のプラズマ生成を必要と
する装置の高性能化に対する要求が高まっている。従来
より、熱フィラメントなどの電子源を用いた直流放電に
よるプラズマ生成や、マイクロ波放電によるプラズマ生
成等が行われているが、中でもマイクロ波放電等の無電
極放電を利用したものは、プラズマスパッタリングなど
の電極消耗がないため長時間連続運転が可能である。

【０００３】マイクロ波放電によるプラズマ生成に用い
られるマイクロ波電源装置は、マイクロ波発生部である
マグネトロンと、マグネトロンに駆動電力を供給する一
式の駆動電源（フィラメント電源およびアノード電源）
とからなり、マグネトロンの出力は導波管や同軸ケーブ
ル等のマイクロ波伝送路を通してプラズマ生成室へ伝送
される。

【０００４】プラズマ生成室を小型化するためには、同
軸ケーブルとアンテナを使用してマイクロ波をプラズマ
生成室へ導入する構成が考えられる。

【０００５】プラズマ生成領域が狭い場合は、図３に示
すように、プラズマ生成室５４内に１本のアンテナ５３
を設け、１台の同軸出力型のマイクロ波電源５１から同
軸ケーブル５２を経て上記アンテナ５３からプラズマ生
成室５４内にマイクロ波を放出し、プラズマを生成すれ
ばよい。

【０００６】一方、プラズマ生成領域が広い場合は、図
４に示すように、プラズマ生成室５４内に複数本のアン
テナ５３…を空間的に配置する必要があり、この場合、
アンテナ５３…の本数と同数のマイクロ波電源５１…が
必要となる。あるいは、図５に示すように、大出力のマ
イクロ波電源６１より導波管６２を経て出力されたマイ
クロ波を、マジックＴ等の分波器６３（参照符号６５の
部材はダミーロード）を用いて分岐し、さらに同軸・導
波管変換器６４により同軸出力に変換し、複数の同軸ケ
ーブル５２…およびアンテナ５３…を介してプラズマ生
成室５４内にマイクロ波を導入し、プラズマを生成する
こともできる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示すようにアンテナ５３…の本数と同数のマイクロ波電
源５１…を設置する場合、イオン源が大型化してプラズ
マ生成領域が大面積化すればするほどアンテナ数および
電源台数が増加することになり、大幅なコスト高を招来
し、また、マイクロ波電源５１…の設置に広いスペース
が必要となるので装置全体が大型化するという問題があ
る。

【０００８】一方、図５に示すように大容量のマイクロ
波電源６１よりマイクロ波出力を分岐する場合は、電源
自体は１台であるが、導波管６２を用いる必要があるの
でやはり装置が大型化し、また、チューナーを用いてイ
ンピーダンス整合を図る必要もあるため取り扱いも複雑
になる。さらに、導波管回路素子であるマジックＴ等を
組み合わせてマイクロ波出力を分岐しなければならず、
大幅なコスト高を招来する。

【０００９】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、プラズマ生成室に複数のマイクロ波導
入部（アンテナ）を配置してマイクロ波を導入する場合
に使用する小型で安価なマイクロ波電源装置を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るプ
ラズマ生成用マイクロ波電源装置は、プラズマ生成室内
に設けられた複数のマイクロ波導入部（アンテナ等）に
マイクロ波を供給するものであって、上記の課題を解決
するために、以下の手段が講じられていることを特徴と
している。

【００１１】すなわち、マイクロ波を出力するマイクロ
波電源部と、上記マイクロ波電源部から出力されたマイ
クロ波の供給先を周期的に切り替えながら各マイクロ波
導入部へ分岐してマイクロ波を出力するマイクロ波スイ
ッチング手段とを備えている。

【００１２】上記の構成によれば、マイクロ波電源部か
らの１系統のマイクロ波出力は、マイクロ波スイッチン
グ手段によって周期的に切り替えられて時分割された複
数系統の出力となる。そして、各系統のマイクロ波出力
がプラズマ生成室内に設けられた複数のマイクロ波導入
部に伝送され、プラズマ生成室内の広い範囲にマイクロ
波が放出される。

【００１３】このように、マイクロ波スイッチング手段
を用いた周期的スイッチングを行うことによって、１つ
のマイクロ波電源部のマイクロ波出力を仮想的に２分岐
または３分岐以上できるので、プラズマ生成室内の広い
空間にプラズマを生成するためにマイクロ波導入部を複
数必要とする場合でも、マイクロ波電源部の数はマイク
ロ波導入部の数よりも少なくすることができる。この場
合、マイクロ波の分岐には従来のように導波管を必要と
しないので、安価で小型のプラズマ生成用マイクロ波電
源装置を実現することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について図
１および図２に基づいて説明すれば、以下の通りであ
る。

【００１５】本実施の形態に係るマイクロ波電源装置
は、図１に示すように、１台の同軸出力型のマイクロ波
電源部１と、当該マイクロ波電源部１の出力端に接続さ
れたマイクロ波スイッチ２と、当該マイクロ波スイッチ
２の各出力端に接続された同軸ケーブル３とを備えてい
る。

【００１６】上記マイクロ波スイッチ２は、１系統の入
力に対して出力が２系統以上（図１では２系統）あり、
どの出力端にマイクロ波を出力するかはスイッチングに
よって選択できるものである。このマイクロ波スイッチ
２としては、一般によく知られた構成のものを使用する
ことができる。また、マイクロ波スイッチ２には機械式
と半導体式とがあるが、より高速スイッチング（数十ｋ
Ｈｚ程度のスイッチング）が可能な半導体式を用いるこ
とが望ましい。上記マイクロ波スイッチ２のスイッチン
グ動作（ＯＮ／ＯＦＦ、スイッチング周波数の変更等）
は、コントローラ６によって制御される。

【００１７】上記マイクロ波スイッチ２の各出力端に接
続された同軸ケーブル３は、プラズマ生成室４内に設け
られた複数の（ここでは２本の）アンテナ（マイクロ波
導入部）５…に接続されている。これにより、マイクロ
波電源部１からのマイクロ波出力は、マイクロ波スイッ
チ２の高速スイッチングによって分岐（時分割）された
後、各同軸ケーブル３を通して各アンテナ５へ伝送さ
れ、プラズマ生成室４へと導入される。尚、マイクロ波
の各出力系統には、必要に応じて直流カット用の容量成
分７が挿入される。この容量成分７により、前記マイク
ロ波の各出力系統は高電位のプラズマ生成室４とは電位
的に切り離されて低電位になるので、都合がよい。

【００１８】上記プラズマ生成室４にはガス導入部（図
示せず）が設けられると共にプラズマ生成室４内に磁場
を形成するための磁石（図示せず）も設けられており、
プラズマ生成室４内に導入されたガスがマイクロ波放電
によってプラズマ化する。

【００１９】プラズマ生成室４内で生成されたプラズマ
は、マイクロ波の供給を停止してもある程度の時間はプ
ラズマ点灯状態を維持するが、プラズマ消滅時間以上マ
イクロ波の供給を停止すれば、プラズマが消滅してしま
う。本実施形態のマイクロ波電源装置の場合、マイクロ
波スイッチ２によって時分割されたマイクロ波出力を複
数のアンテナ５…へ供給しているため、それぞれのアン
テナ５の出力は、マイクロ波が供給されているＯＮ状態
と、その供給が停止しているＯＦＦ状態とをパルス的に
繰り返していることになり、ＯＦＦ状態の時間が長すぎ
る（プラズマ消滅時間以上になる）とプラズマが一旦消
滅してしまうことになる。

【００２０】プラズマが点灯し易ければ、各アンテナ出
力のＯＦＦ状態の時間がプラズマ消滅時間より若干長く
ても、プラズマの消滅時間が比較的短い状態でプラズマ
を維持できる。例えば、イオンビームを物質表面に照射
させてクリーニングするような装置では、プラズマ密度
の安定性はそれ程重要ではないため、生成プラズマの用
途によっては、アンテナ出力のＯＦＦ状態の時間をプラ
ズマ消滅時間よりも長く設定して電源装置を運転するこ
とも可能である。

【００２１】しかしながら、一旦プラズマが消滅すると
プラズマの再点灯が困難な場合や、プラズマ密度の安定
性が要求される場合では、各アンテナ出力のＯＦＦ状態
の時間がプラズマ消滅時間よりも短くなるように、マイ
クロ波スイッチ２のスイッチング周波数を設定する必要
がある。通常、このスイッチング周波数を３ｋＨｚ〜３
０ｋＨｚ程度に設定すれば、プラズマの消滅時間がゼロ
となり、比較的安定なプラズマを生成することができ
る。

【００２２】ここで、上記マイクロ波電源装置のマイク
ロ波プラズマカソード（以下、ＭＰカソード）型イオン
源への適用例を図２に示す。

【００２３】ＭＰカソード型イオン源は、ＭＰカソード
１０で生成したマイクロ波プラズマを電子源として利用
し、直流放電によって主プラズマを生成するものであ
る。上記ＭＰカソード１０は、複数（ここでは３本）の
アンテナ５が配置されたプラズマ生成室４を備え、当該
プラズマ生成室４にはガス導入部１１を介して外部から
ガスが導入されるようになっている。また、プラズマ生
成室４の主プラズマ室１２側には、各アンテナ５に対向
して電子放出孔１０ａ…が形成されている。

【００２４】プラズマ生成室４と主プラズマ室１２とは
絶縁体１３を介して電気的に絶縁されていると共に、両
者４・１２間には放電電源１４が接続されており、プラ
ズマ生成室４で生成されたプラズマ中の電子が電界によ
り主プラズマ室１２へ引き出されて直流放電が発生し、
これにより主プラズマ室１２において大面積のプラズマ
が生成されるようになっている。また、主プラズマ室１
２で生成されたプラズマ中のイオンは、イオン引出電極
系１５（３枚の多孔式電極からなる）によって外部へ引
き出され、イオンビームが形成される。

【００２５】上記のＭＰカソード１０を適用したバケッ
ト型イオン源の場合、ＭＰカソード１０へのマイクロ波
の導入には同軸ケーブル３とアンテナ５とを使用し、コ
ンパクトな電子源が実現されている。大面積大電流のイ
オン源を実現するためには、上記のようにＭＰカソード
１０のプラズマ生成室４に複数のアンテナ５…を設置す
る必要があるが、このＭＰカソード１０へのマイクロ波
の供給源として、マイクロ波電源部１の出力をマイクロ
波スイッチ２にて複数に分岐する上述のマイクロ波電源
装置を適用すれば、非常にコンパクトな大面積大電流の
マイクロ波イオン源を実現することができる。

【００２６】上記の構成のＭＰカソード型イオン源にお
いて、マイクロ波電力供給を停止したときのプラズマ生
成室４内でのプラズマ消滅時間よりも各アンテナ５の出
力のＯＦＦ時間の方が短くなるように、マイクロ波スイ
ッチ２を一定の周期で高速スイッチングした場合、プラ
ズマ生成室４で安定したプラズマを生成することがで
き、ＭＰカソード１０として十分な機能を果たす。

【００２７】以上のように、本実施の形態に係るプラズ
マ生成用マイクロ波電源装置は、プラズマ生成室４内に
設けられたマイクロ波導入用の複数のアンテナ５…にマ
イクロ波を供給するものであって、マイクロ波電源部１
から出力されたマイクロ波の供給先をマイクロ波スイッ
チ２により周期的に切り替えながら各アンテナ５へ分岐
（時分割）してマイクロ波を出力する構成である。

【００２８】これにより、１つのマイクロ波電源部１の
マイクロ波出力を仮想的に２分岐または３分岐以上でき
るので、プラズマ生成室４内の広い空間にプラズマを生
成するためにマイクロ波を放出するアンテナ５を複数本
必要とする場合でも、マイクロ波電源部１の数はアンテ
ナ５の本数よりも少なくすることができる。この場合、
マイクロ波の分岐には導波管を必要とせず、マイクロ波
の伝送には同軸ケーブル３等を使用できるので、安価で
小型のマイクロ波電源装置を実現することができる。

【００２９】また、本実施の形態に係るプラズマ生成用
マイクロ波電源装置は、上記の構成において、マイクロ
波電力供給を停止したときのプラズマ生成室４内でのプ
ラズマ消滅時間よりも各アンテナ５の出力のＯＦＦ時間
の方が短くなるように、マイクロ波スイッチ２を一定の
周期で高速スイッチングさせるスイッチング制御手段
（図１中のコントローラ６）を備えている構成であり、
これによりプラズマ生成室４内で安定したプラズマを生
成することができる。

【００３０】尚、上記では、マイクロ波電源装置のＭＰ
カソード型イオン源への適用例について説明したが、こ
れに限定されるものではなく、例えばイオンビームスパ
ッタリング装置やイオンビームを利用した薄膜形成装置
等のイオン源、ラジカル源、プラズマ源等を用いた装
置、およびその他のプラズマ生成を必要とする装置にも
適用可能であり、成膜、基板クリーニング、ドーピン
グ、エッチング、表面改質等の各種プロセスに利用され
る。上記実施形態は、あくまでも、本発明の技術内容を
明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限
定して狭義に解釈されるべきものではなく、特許請求の
範囲内で、いろいろと変更して実施することができるも
のである。

【００３１】

【発明の効果】本発明のプラズマ生成用マイクロ波電源
装置は、以上のように、マイクロ波を出力するマイクロ
波電源部と、上記マイクロ波電源部から出力されたマイ
クロ波の供給先を周期的に切り替えながら複数のマイク
ロ波導入部へ分岐してマイクロ波を出力するマイクロ波
スイッチング手段とを備えている構成である。

【００３２】それゆえ、マイクロ波スイッチング手段を
用いた周期的スイッチングを行うことによって、１つの
マイクロ波電源部のマイクロ波出力を仮想的に２分岐ま
たは３分岐以上できるので、プラズマ生成室内の広い空
間にプラズマを生成するためにマイクロ波導入部を複数
必要とする場合でも、マイクロ波電源部の数はマイクロ
波導入部の数よりも少なくすることができ、また、マイ
クロ波の分岐には導波管を必要としないので、安価で小
型のプラズマ生成用マイクロ波電源装置を実現すること
ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示すものであり、プラ
ズマ生成用マイクロ波電源装置の概略の構成を示すブロ
ック図である。

【図２】上記のプラズマ生成用マイクロ波電源装置を適
用したマイクロ波プラズマカソード型イオン源の構成図
である。

【図３】従来のプラズマ生成用マイクロ波電源装置の構
成図である。

【図４】従来のその他のプラズマ生成用マイクロ波電源
装置の構成図である。

【図５】従来のさらに他のプラズマ生成用マイクロ波電
源装置の構成図である。

【符号の説明】

１ マイクロ波電源部 ２ マイクロ波スイッチ（マイクロ波スイッチング手
段） ３ 同軸ケーブル ４ プラズマ生成室 ５ アンテナ（マイクロ波導入部） ６ コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０３Ｂ 9/10 Ｈ０３Ｂ 9/10

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマ生成室内に設けられた複数のマイ
   クロ波導入部にマイクロ波を供給するプラズマ生成用マ
   イクロ波電源装置において、 マイクロ波を出力するマイクロ波電源部と、 上記マイクロ波電源部から出力されたマイクロ波の供給
   先を周期的に切り替えながら各マイクロ波導入部へ分岐
   してマイクロ波を出力するマイクロ波スイッチング手段
   とを備えていることを特徴とするプラズマ生成用マイク
   ロ波電源装置。