JP2000515296A - マイクロ波を利用したプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マイクロ波発生器１及びその発生器からプラズマチェンバ７を囲む導波共振器５への連結器を備えたマイクロ波プラズマ発生装置を提供する。共振器５の断面短辺はチェンバ７との共通壁中でｚ軸に面して平行に位置しており、マイクロ波パワーはこの断面短辺で連結点６を介して共振器５からチェンバ７に連結される。連結点は、５と７の共通壁内に配向スロットカプラーとして形成されるのが望ましい。参照番号は図１に関するものである。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ波を利用したプラズマ発生装置 各種のプラズマが、様々な方法を用いて発生され基板の改良等に利用されてい る。プラズマ処理は、基板のコーティング、洗浄やエッチング、移植片処理用薬 剤や、排気ガスの浄化技術等で利用されている。処理される加工品の形態は平ら な基板、繊維束やウェブ状材料から、あらゆる外形の成型品に及ぶ。マイクロ波 発生器の高度な性能及び利用簡便性は、マイクロ波プラズマの重要性に寄与して きた。 様々なタイプのプラズマ処理装置が知られている。そのような装置では、マイ クロ波は給送器(feed)、及び任意でカプラーを介してプラズマチェンバに注入さ れる。様々な種類のプラズマが様々に応用される。その他にも、マイクロ波を給 送するために導波管や同軸ケーブル、さらには連結用としてアンテナやスロット が利用される（ドイツ特許第４２３５９１４号明細書）。 様々な種類の装置がマイクロ波プラズマ発生用として使用されている。先行技 術によれば、そのような装置類はプラズマチェンバ、コンテナもしくはそれに含 まれる加工スペース、及びそれに連結可能な給送導波管を含み、導波管は周辺形 導波共振器の形状になっていることが多い。便宜上これらは共通の回転軸上に配 置される。入力連結を通して、マイクロ波は共振器からプラズマチェンバに放出 (emerge)される（フランス特許公開第２６６８６７６号明細書、欧州特許公開第 ０５９３９３１号明細書)。しかしながら、回転軸に対して平行なスロット等を 通しての連結や共振器の設計に関して、周知のタイプには不利な点があることが 明らかになっている。このようなケースの不利な点としては、連結点の配置によ っては、ＴＭ０１ｎモード等特定の場パターンの励起が不可能であることが挙げ られる。そのため重要な場面への応用が妨げられている。故に、できる限り多く のモードを均一に励起、及び/又は非常に均一なプラズマを大規模に発生させる 装置への需要が存在する。そのような装置は、１０^-5ｍｂａｒから、具体的にい えば１ｂａｒを越える広範囲の圧力で作動する。 本発明は、マイクロ波発生器１、マイクロ波発生器を共振器に連結するカプラ ー９、コンテナ８を内蔵するプラズマチェンバ１、及びこのチェンバを囲む少な くとも一つの導波共振器５を備えた、マイクロ波プラズマを発生させるための装 置に関するものである。 本発明は前記タイプのマイクロ波プラズマ発生装置に関するものであり、本発 明によれば、共振器５の断面短辺は装置の軸に平行或いはプラズマチェンバ７の 軸に平行であって、マイクロ波パワーは導波共振器５よりプラズマチェンバ７に 連結される。共振器５はチェンバ７を囲みチェンバと壁を共通している。共振器 は部分的または全体的に、望ましくは円筒形のチェンバを、望ましくはリング形 状で囲んでいる。共振器５を、末端部分を係合させた導波管の形状で設計しても よい。 共通の軸zに対して対称となるよう５、７及び８を配置すれば都合がよく、必 ずしも回転対称としなくてもよい。必要があれば、対称的で最も単純な設計から 逸脱することもできる。共振器はリング共振器であることが望ましく、卵型或い はほぼ矩形、又は円形であってもよい。重要なのは５の断面が細長く、チェンバ ７との共通壁が、共振器５の一番狭い辺になるよう設計されることである。共振 器５が矩形断面を持つリング形状であり、その矩形の狭く短い辺がチェンバ７に 面し、チェンバ７と壁を共通するような設計であれば非常に望ましい。 しかしながら共振器５を、その断面が例えばほぼ円形である、チェンバ壁を囲 む導波管として設計することも可能である。 共通或いは別々のマイクロ波発生器を備えた共振器５を複数設けることも可能 で、そのように共振器を設ければチェンバ７のサイズを大きくすることができる 。連結点はスロットであるのが望ましく、さらにいえば狭いスロットであること が非常に望ましいが、アンテナ、ループ又はジャンクションをもって連結点を形 成することも可能である。連結点が狭い、又は最も狭い辺に形成されるのであれ ば、その連結はｚ軸に関してもしくはそれに平行に、共振器５とチェンバ７の共 通壁表面の任意の点であってもよい。本発明によれば、プラズマチェンバ内でエ ネルギー密度を増した単純化入力連結が起こる。これにより大きい加工品をコー ティングすることができ、排気ガスの浄化といった化学反応のケースにおける処 理能力を増大させることができる。 共振器５としては、矩形断面を持つのが適切かつ望ましく、又は任意で円形断 面であってもよい。又導波共振器５がトロイド状又はほぼ環状であるよう設計さ れているのも望ましい。 請求項２に関し、連結点６が配向した(azimuthally oriented)、すなわちz軸 に対し垂直なスロットカプラーとして形成されていれば非常に望ましい。そうす れば、長辺方向に、スロットが正確に或いはほぼz軸周辺の円上にそれに対して 垂直方向に位置するからである。スロットが平行な円上、又はそれに対し４５° 等の角度で位置してもよい。 本発明によれば、リング共振器５が矩形断面を持つ場合、断面短辺がこの共振 器の半径方向に対し垂直でプラズマチェンバ７の回転軸に対し平行である。５の 矩形短辺を介してマイクロ波を連結すると、連結スロットを５と７間の壁に用い た時に、それらがプラズマチェンバの回転軸ｚに対し平行方向に延長する必要が ない。５と７の間の壁に配向スロットが用いられる時、リング共振器は平行アド ミッタンスを持つ。 共振器５では、連結点６が定常波の電界最高値に位置していることが望ましい 。連結点の長さと距離は均一であるべきだが、厳密な均一化を要求しない方が都 合がよい。 連結点が、定常波の同相(in-phase)電界(E field)の最高値に位置しているこ とが望ましい。 連結点、望ましくはスロットの長さが電界の半波の全長に対応していてもよい 。 サーキュレーター、チューニング・ユニット、給送器及び入力マイクロ波カプ ラー、望ましくはＨジャンクション及びＥジャンクション、ループ、アンテナ等 を用いて連結を行ってもよい。１から５まで連結しているマイクロ波は、スリー ピン・チューナー(three-pin tuner)、マジックＴピース、末端ディスク(termin ation discs)又はその他のチューニング要素等により、５から連結している入力 マイクロ波の反対側でもチューニング可能である。 プラズマチェンバ７、及びそれを囲む導波共振器５は、特定のモードを励起す るリング共振器等として設計され、従って円筒形、具体的にいえば断面が円形で ある形状、或いは立方形(cube)、方形(square)や矩形柱といった形状に設計され ていてもよく、変形していても構わない。トロイダル矩形導波共振器(toroidal rectangular waveguide resonators)５は複数のマイクロ波発生器より給送され てもよい。 チェンバ７はＴＭ０１０モードの励起に必要なだけの直径と高さ、或いはＴＭ ０１ｎ（ｎ＝１，２，３，…）モードを励起するためのサイズであるよう設計し てもよい。例えばコンテナ８の誘電性のため、界分布は正常な(unpertured)共振 器５の理想的なＴＭ０１ｎ(ｎ＝１，２，３，…)界分布と異なっていてもよい。 電気コイルや永久磁石８を加えることによって、チェンバ７内に磁界を生じる ことができ、そうすることでおよそ１０^-2ｈＰａ未満という低いコンテナ圧で、 高濃度のイオン生成に必要な電子サイクロトロン共鳴が得られる。 例えば水晶ガラス製のコンテナ８がプラズマチェンバで用いられている場合、 一方では入力連結点の近界用として、例えばスロットアンテナやロッドアンテナ の形態で、或いはプラズマチェンバがそれに応じたサイズであるならば、その適 用例にとって望ましい共振器モード、円筒形共振器の場合はｎ＝０，１，２…の ＴＭ０１ｎ等をプラズマ発生用に使用することもできる。円筒形共振器のＴＭ０ １０モードの場合、ｚ軸に沿って延びたプラズマが発生する。ｎが０より大きい ＴＭ０１ｎの場合、その直径を共振器の長さの関数として選択してもよく、大容 量のプラズマが得られる。 マイクロ波発生器は、例えば、周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロン真空管を 持つ。 ｎ＝０，１，２…の円筒形モードＴＭ０１ｎ等、プラズマチェンバ内でマイク ロ波モードを励起する場合では、スロットはリング共振器モードの同相最高点正 面に配置されるように選択すべきである。しかしながら、スロットカプラーの近 界がプラズマ発生目的で利用される場合、スロットを最高点毎に配置することも 可能である。連結スロットの長さは同相領域を越えてはならず、最高の入力パワ ー連結を得るためには、その長さは半波を正確にカバーするようなものでなけれ ばならない。 装置が全構成要素の内幾つかを含んでいてもよい。 本発明は、図面中に示す実施態様によって説明される。 図１は本発明による装置を部分的にX軸及びｚ軸と共に示した断面図である。 図２は、本装置を示すためのｚ軸方向の平面図である。 図３は本発明による装置の一部を示す図であり、３つの共振器５が共通のマイ クロ波発生器１と共通のプラズマチェンバ７に連結している。 図１では、環状導波共振器５の矩形断面の短辺が、プラズマチェンバ７の円筒 形壁にあり、マイクロ波発生器１から連結器２、３、４、９を介してマイクロ波 を供給されている。それらの連結器はサーキュレーター２、スリーピン・チュー ナー等のチューニング・ユニット３、給送器４及び、Ｈジャンクション又はＥジ ャンクション等の形状である入力マイクロ波連結点９で構成されている。図面中 の矢印は、電界の方向を表し、ｘとｚは軸を意味する。リング共振器５の矩形断 面の短辺上に、突起中に(in the protrusion)示された連結スロット６があり、 プラズマチェンバ７と共通しているこの共振器の壁を貫通している。この場合、 磁気コイル１０は電子サイクロトロン共鳴を励起させる。 図２では、図１に示したスロット６を共振器５の環状壁と一致するように、コ ンテナ８を持つチェンバ７にマイクロ波が連結している。リング共振器５では、 電界べクトルが図面の水平面に対し垂直になっている。 図３では、送出(delivery)共振器１１を通しての給送を行うことにより、トロ イド状矩形導波共振器５からプラズマチェンバ７にかけて三重の、望ましくは同 相連結が存在する。短絡ディスク１２が送出共振器のチューニングに使用される 。共振器５はピンチューナー３を利用してチューニングされる。矢印はリング共 振器での電界の配向を示しており、本発明によればそれはｚ軸に対し平行でマイ クロ波連結スロットに対し垂直である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１月１６日（１９９８．１．１６） 【補正内容】 ５．電気コイル又は永久磁石(１０)を付加することによって磁界がチェンバ７内 に生じることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プラズマチェンバ及び共振器を備えたマイクロ波プラズマ発生装置であり、 共振器５の断面短辺が共振器５とプラズマチェンバ７間の壁にある共通軸ｚに面 しており、マイクロ波パワーが共振器５から、共振器５の断面短辺にある連結点 ６を介してチェンバ７に連結されていることを特徴とするマイクロ波発生装置。 ２．連結点６が、共振器５，チェンバ７の共通壁の配向スロットカプラーとして 形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ３．連結点６が、共振器５，チェンバ７の共通壁にアンテナまたはループとして 形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ４．プラズマチェンバ７が立方形、直平行六面形(cuboid)、方形または矩形柱、 円筒等の形態のマイクロ波共振器として設計されていることを特徴とする請求項 １から３のいずれかに記載の装置。 ５．電気コイル８又は永久磁石を付加することによって磁界がチェンバ７内に生 じることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の装置。 ６．共振器５がチェンバ７を囲むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに 記載のデバイス。