JPS63126196A - マイクロ波励起によるプラズマ生成源 - Google Patents

マイクロ波励起によるプラズマ生成源

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JPS63126196A
JPS63126196A JP61271907A JP27190786A JPS63126196A JP S63126196 A JPS63126196 A JP S63126196A JP 61271907 A JP61271907 A JP 61271907A JP 27190786 A JP27190786 A JP 27190786A JP S63126196 A JPS63126196 A JP S63126196A
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plasma
plasma generation
microwave
dielectric
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鳥居 康弘
勝 嶋田
巌 渡辺
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばプラズマGつ装置やプラズマエツチン
グ装置に利用される、マイクロ波励起による電子サイク
ロトロン共鳴を用いたプラズマ生成源に関する。
〔従来の技術〕
半導体LSIなどの倣細・高精細な製造技術として、プ
ラズマ・イオンなどの活性化粒子を用いたエツチング、
膜形成、イオン注入技術が広く使われている。プラズマ
を発生石せるプラズマ生成源としては、種々の放電形式
が検討されているが、その中で、マイクロ波励起による
電子サイクロトロン共鳴を用いたプラズマ放電(ECR
放電)は、■低い圧力(IXIOTorr以下)で放!
可能であシ、イオンの方向がそろうこと、■高密度プラ
ズマが発生できること、■無電極放電であるため寿命が
長く、活性ガスを使用できること等の優れた特徴を持っ
ているために注目されている。
第4図に、従来のECR放電を用いたプラズマ生成源の
基本構成を示す。1はプラズマ発生室、2はマイクロ波
導入窓、3は導波管、4は磁気コイル、5はガス導入口
、6はプラズマリミッタ、Tは引き出場れたプラズマ流
でるる。プラズマ発生室1に、ガス導入口5よりガスを
、導波v3よりマイクロ波(例えば2.45α2)をそ
れぞれ導入しく図にはマイクロ波発振源、アイソレータ
、整合器、マイクロ波電力計を省略しである)、磁気コ
イル4によって、電子サイクロトロン共鳴(ECR)条
件の直流磁場(875ガウス)をマイクロ波電界に対し
て直角方向に印加すると、これらの相互作用で、プラズ
マ発生室1に導入てれたガスはプラズマとなる。通常、
庇プラズマイツ装置、ECRイオンジャワエツチング装
置のプラズマ生成源は、マイクロ波を効率的にプラズマ
に吸収させるために、TE工、8などの共振モード構成
になっている(例えばジャパニーズ・ジャーナル・オブ
・アプライド1フイジクス(Japanese Jou
rnal of AppliedPhysics)  
22巻4号(1983) L210〜212)。
〔発明が解決しようとする問題点〕
一般に第4図のプラズマ発生室1に導入でれたマイクロ
波の電界強度は、プラズマ発生室1のマイクロ波導入窓
2の近傍で小で<、マイクロ波導入窓2から離れるにつ
れて、管内波長の只の周期で最大・最小をとる。このプ
ラズマ生成源は、マイクロ波導入窓2の近傍に■工条件
を満足する磁場(875ガウス)を発生でせて動作させ
ているが、この領域はマイクロ波電界が弱い領域なので
、必ずしも最適な構成になっていない。しかも、単純に
プラズマ生成室1のマイクロ波の電界強度の強いところ
にECR条件の磁場をもっていっても、高効率のプラズ
マは生成でれないという問題があった。この理由として
は、■プラズマが生成すると、プラズマ生成室内部のマ
イクロ波に対する誘電率が変わるため、マイクロ波の電
界強度の強い位置が変化してしまうこと、さらに、■マ
イクロ波導入窓2の近傍で生成されるプラズマの状態が
全体のプラズマ生成に影響を与えるので、ECR条件を
満足する磁場の位置だけでなく、マイクロ波導入窓近傍
の磁場強度・分布が問題になることが推測嘔れる。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、プラズマ生成室となる空洞に設けたマイクロ
波導入窓近傍の、その窓から導入されたマイクロ波の電
界の小さい部位に、誘電体を配置したものである。
〔作用〕
誘電体の寸法を適当に設定することにより、マイクロ波
の電界強度が、そのマイクロ波がプラズマ生成領域に進
入する境界で大きくなる。しかも、誘電体内の電界分布
はプラズマの生成によって変化しないため、上記電界の
大きい位置はプラズマの生成によって変化せず、上記境
界部分での電界強度は常に大きく保たれる。
〔実施例〕
(実施例1) 第1図は本発明の一実施例を示す構成図である。
同図において、8L矩形導波管、9はプラズマ生成室、
9Aは誘電体領域、9Bはプラズマ生成領域、10は磁
気コイル、11はガス導入口、12はマイクロ波導入用
開口、13はプラズマリミッタ、14はプラズマ流であ
る。プラズマ生成室9は、誘電体領域9Aとプラズマ生
成領域9Bとから構成されている。誘電体領域9Aに充
填でれた誘電体は、マイクロ波を伝播式せる一方、プラ
ズマ生成領域9Bが真空に排気できるように、0リング
により真空対じを行っている。この誘電体の厚みは、後
述するように、そこにおけるマイクロ波の電界強度がプ
ラズマ生成領域9Bと接するところで強く彦るように設
定されている。誘電体材料としては、石英(誘電率4)
、BN (同4)、フォルススライド(同6 、2 )
、ステアタイト(同6)、アルミナ(同9)などが使用
できる。なお、この誘電体領域9人の構成にあたっては
、プラズマとの接触に対して非脱ガス性・耐熱性を要し
たシ、真空対じをするための気密性・平坦性を要する部
分には石英、アルミナ等を用い、そのほかの部分には安
価な材質を用いるなどのように、誘電体をいくつかの部
分に分けて構成しても良いことは言うまでもない。
マイクロ波は、矩形導波管8、マイクロ波導入用開口1
2を介してプラズマ生成室9に導かれる。
プラズマ生成領域9Bに、ガス導入口11よシガスを、
導波管8から÷イクロ波(例えば2.45GHz)をそ
れぞれ導入しく図にはマイクロ波発振源、アイソレータ
、整合器、マイクロ波電力計を省略しである)、磁気コ
イル10に:つて、電子サイクロトロン共鳴(ECR)
条件の直流磁場(875ガウス)をマイクロ波電界に対
して直角方向に印加すると、第4図のものと同様に、こ
れらの相互作用により、プラズマ生成領域9Bに導入さ
れたガスはプラズマとなる。このとき、本実施例では、
誘電体領域9Aとして誘電体を挿入することにより、プ
ラズマ生成領域9Bとの境界でプラズマの状態によらず
、マイクロ波の電界強度が大きくなるように構成してい
るために、マイクロ波導入窓の近傍で高密度のプラズマ
を効率良く生成することができる。
マイクロ波がプラズマ生成領域に進入する境界でマイク
ロ波の電界強度を大きくするためには、具体的には、n
を自然数とするとき、誘電体領域9Aのマイクロ波導入
方向の寸法(誘電体の厚み)tを、 t=λx (2n−1)/4 とすればよい。ここで、λ、は誘電率Cの誘電体を充填
した導波管の管内波長で、 λ で光芒れる。ただし、λ。はa断V=で、λ、= 2i
r/1.84  (円筒導波管のTE11モード;rは
半径) で表され、λは自由空間のマイクロ波の波長である。
このようにすることにより、誘電体領域9Aでは、例え
ば第1図中に破線でその包絡線を示したような電界強度
分布となる。ここで、プラズマ生成領域9Bにおける電
界強度分布は、プラズマの状態により変化するが、上述
した誘電体領域9Aの電界分布は変化せず、プラズマ生
成領域9Bとの境界において常に最大の強度を示す。一
方、この境界において、誘電体領域9Aの電界分布とプ
ラズマ生成領域9Bの電界分布とは連続性を保つから、
結局プラズマ生成領域9Bの電界強度も、上記境界にお
いては強制的に大きな値に固定てれる。
例として、2.45GHzのマイクロ波を用いて内径2
0譚のプラズマ生成室を構成する場合、石英(誘電率4
)を充填したときの管内波長は6.4 cmになるので
、誘電体領域9Aの長さく石英の厚み)を1.6x(2
n−1) onにすれば良い。一般に、プラズマ生成室
9の内径が小さくなるにつれて、管内波長が長くなるの
で本手法はよシ有効になる。
石らに、円′間状の空洞を有するプラズマ生成室9に対
して、誘電率εの誘電体を充填したときのa断層波数f
cは、 モード;rは半径、 Cは光速) で表されもよって、2.45GHzのマイクロ波に対し
て誘電率9のアルミナを充填すれば、マイクロ波を伝播
するに必要な円筒の内径は2.47mでよくなるため、
非常に小形のプラズマ生成源を構成できる。
第4図のような構成で内径7.15l−FFI以下の小
形のプラズマ生成室を構成すると、一般的にはマイクロ
波は遮断でれ誘電体が充填されていないプラズマ生成領
域にマイクロ波を導入できない。しかしながら、実際に
は一部のマイクロ波がプラズマ生成領域に僅かに漏れて
いるため、プラズマの生成ができる。その上、一度プラ
ズマが生成嘔れると、プラズマ生成領域9Bは誘電率の
高い誘電体(プラズマ)で充填されていることと等価に
なり、マイクロ波はプラズマ生成領域に伝播することに
なシ定常的なプラズマが生成でれる。なお、七のために
このプラズマ生成領域9Bの誘電体領域9Aとの境界の
磁場を、プラズマの放電開始が容易なKCR条件を満足
する磁場に設定していったんプラズマを生成した後に、
高密度プラズマ生成に最適な磁場分布に調整するのが望
ましい。
よって、このようにプラズマ生成室9を構成し、それと
ともに周辺の導波管8(誘電体を充填した導波管を用い
れば小形化を図ることが出来る)、磁気コイル10等を
小形にすれば、非常に小形のプラズマ生成源を構成でき
る。また、このように小形にすると、同一マイクロ波電
力に対する電力密度が高くなシ、低電力で高密度プラズ
マが生成できる。ぢらに、プラズマ中を伝播するマイク
ロ波の管内波長が、プラズマ生成室の内径が小ていほど
長くなるので、マイクロ波がプラズマに吸収てれる領域
が拡がり、より効率的にプラズマが生成できる。
(実施例2) 第2図は本発明の他の実施例を示す構成図である。15
はプラズマ生成室で、第3図に対応させると、15Aが
誘電体領域で大気空間15A−1と誘電体15A−2と
から構成でれており、15Bがプラズマ生成領域である
。誘電体15A−2はプラズマ生成領域15Bが真空に
排気できるように真空封じを行っている。よって、第1
図の構成と同様に、誘電体領域15Aの誘電率とマイク
ロ波導入方向の寸法および位置を勘案することにより、
プラズマ生成領域15Bの境界でマイクロ波の電界強度
を強くすることができる。よって、実施例1で述べたと
同様に効率の良いプラズマ生成が可能になる。
大気空間15A−1には、誘電体を配置してもよい。い
ずれにしても、本実抱例は実施例1と比較して、誘電体
が単純な円板状でよいため、加工が容易な利点がある。
(実施例3) 第3図に本発明の第3の実施例の構成図を示す。
この実施例は基本的には、第2図の実施例と全く同一で
ある。16はガス導入口、17はプラズマ生成室である
。17Aは誘電体領域で、17A−1は大気空間である
が、誘電体としてもよい。17A−2は誘電体で4j9
.17Bがプラズマ生成領域である。
この構成では真空封じはカップ状の誘電体17A−2で
行っている。この場合も、いままでの説明で述べたよう
に誘電体領域17Aの誘電率、マイクロ波導入方向の寸
法およびその位置を適切に決めれば、マイクロ波の電界
強度はプラズマ生成領域17Bの境界で強くなる。よっ
て、実施例1と閤51な操作でプラズマ生成源を動作で
せることかでき、しかも効率の良いプラズマを生成でき
る。
以上、主としてプラズマ・ラジカルの生成源として用い
る場合について述べてきたが、本発明のプラズマ生成源
は、加速−減速構成の3枚電極構成のイオン引出し電極
系を用いれば、高密度・大電流イオン源として特に有効
である。また、1枚電極・単葉メツシュ電極を用いれば
、低エネルギーイオンの生成源としても有効である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、プラズマ生成室のマイクロ波導入窓近
傍の、導入されたマイクロ波の電界の不妊い部分に誘電
体を配置したことにより、マイクロ波がプラズマ生成領
域に入る場所でマイクロ波の電界が強くなるようにし、
短い距離の間にマイクロ波をプラズマ中の電子に吸収さ
せることができるため、従来よりも高効率のプラズマ生
成源・イオン源として有効でおる。すなわち、ECRプ
ラズマCVD装置、])ORプラズマエツチング装置用
のプラズマ生成源として使用すれば、よシ効率の良い装
置を構成出来る利点がある。
また、小形のプラズマ・イオン・ラジカルの発生源とし
て使用できるから、MBEi[−MOCvD装置・プラ
ズマ応用装置などに付加した複合装置で、表面反応の促
進、ドーピングの効率化等により、エツチング、膜形成
技術の扁制御化が可能に々る。
さらに、加速−減速のイオン引出し電極を設置すること
により、小形の大電流イオン源として使用でき、イオン
注入装置用のイオン源として有望であるとともに、1枚
電極・単葉メツシュ電極を用いることにより低エネルギ
ーイオンの生成源としても有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す構成図、第2図および
第3図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す構成図、第
4図は従来例を示す構成図である。 8・・・・導波管、9.15.17・・・・プラズマ生
成室、9A、15A、17A ・・・・誘電体領域、9
B、15B、17B ・・・・プラズマ生成領域、10
・・・・磁気コイル、11.16・・・・ガス導入口、
12・・・・マイクロ波導入用開口。 特許出願人  日本電信電詰株式会社 代珊人 山川数回(1311名) 第1図 第2図 第3図 第4図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. マイクロ波励起によりプラズマを生成するプラズマ生成
    源において、プラズマ生成室となる空洞に設けたマイク
    ロ波導入窓近傍の、当該窓から導入されたマイクロ波の
    電界の小さい部位に誘電体を配置し、プラズマを遮へい
    するようにしたことを特徴とするマイクロ波励起による
    プラズマ生成源。
JP61271907A 1986-11-17 1986-11-17 マイクロ波励起によるプラズマ生成源 Expired - Lifetime JPH0763035B2 (ja)

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Cited By (4)

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