JP6548991B2 - プラズマ生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、トロイダルプラズマを生成するプラズマ生成装置に関する。

プラズマ処理のためにプラズマを生成する装置として、電界結合型のプラズマ生成装置と誘導結合型のプラズマ生成装置とが知られている。電界結合型のプラズマ生成装置は、チャンバ内の材料ガスに、電極によって高周波電界を加えることで、プラズマ化する。一方、誘導結合型のプラズマ生成装置は、誘導コイルに高周波電流を流すことで高周波磁界を発生させ、高周波磁界によってチャンバ内に高周波電界を発生させて、チャンバ内の材料ガスをプラズマ化する。プラズマ化された材料ガスが、反応性ガスとして、プラズマ処理に用いられる。

例えば、特許文献１には、トロイダルプラズマを生成する誘導結合型のプラズマ生成装置が記載されている。なお、「トロイダルプラズマ」とは、トロイダル形状のプラズマである。当該プラズマ生成装置は、チャンバの一部を包囲する磁気コアに巻かれた一次巻線に高周波電流を流すことで、磁気コア内の磁束を変化させ、これにより、チャンバ内に高周波電界を発生させる。

特許第４０７０１５２号

しかしながら、特許文献１に記載のプラズマ生成装置の場合、チャンバと一次巻線とは、物理的に位置の離れた配置となり、チャンバ内でプラズマによって形成される二次回路と一次巻線とも位置が離れている。したがって、漏れ磁束によって、結合力が低下してしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、従来よりも結合を強めて、電力を有効利用できる誘導結合型のプラズマ生成装置を提供することを目的とする。

本発明に係るプラズマ生成装置は、トロイダル形状の放電空間を有する導体製のチャンバであって、トロイダル方向の一部を絶縁するための絶縁部が設けられているチャンバと、高周波電流を出力する高周波電源と、前記高周波電源の一方の出力端子と、前記チャンバの前記絶縁部の近辺とを接続する第１の接続線と、前記高周波電源の他方の出力端子と、前記チャンバの、前記第１の接続線が接続された位置に対して前記絶縁部を挟んだ側の近辺とを接続する第２の接続線とを備えていることを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバは金属製である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記プラズマ生成装置は、前記チャンバの一部を取り囲むように配置された磁気コアをさらに備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記絶縁部は、前記チャンバをトロイダル方向の一部で切り離した隙間を維持したものである。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバの前記絶縁部を挟んだ両側には、それぞれ外壁にフランジが設けられており、前記チャンバの切り離された部分が両側から挿入された状態で、２つの前記フランジの間に配置されて、前記隙間の大きさを規定する中継アダプタを、前記プラズマ生成装置は、さらに備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記中継アダプタの内面と前記チャンバの外壁との間に配置され、両者に密着するように変形することで前記チャンバを密封状態に保つ弾性リングを、前記プラズマ生成装置は、さらに備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバには、トロイダル方向の一部を絶縁するための第２の絶縁部がさらに設けられており、前記第２の絶縁部を挟んだ、前記チャンバの両側の間には、コンデンサが接続されており、前記コンデンサのリアクタンスは、プラズマが発生した後の状態における前記チャンバのリアクタンスの約２分の１である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記プラズマ生成装置は、前記放電空間に高電圧パルスを印加する電極、または、紫外線を照射する照射装置をさらに備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバには、トロイダル方向の一部を絶縁するための第２の絶縁部がさらに設けられており、前記プラズマ生成装置は、前記第２の絶縁部を挟んだ、前記チャンバの両側の間に、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサが接続された状態と、前記第２のコンデンサが接続された状態とを切る替えるスイッチとをさらに備えており、前記第１のコンデンサのリアクタンスは、プラズマが発生した後の状態における前記チャンバのリアクタンスの約２分の１であり、前記第２のコンデンサのリアクタンスは、プラズマが発生する前の状態における前記チャンバのリアクタンスと略同一である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバには、トロイダル方向の一部を絶縁するための第２の絶縁部がさらに設けられており、前記プラズマ生成装置は、前記第２の絶縁部を挟んだ、前記チャンバの両側の間に、コンデンサと、前記コンデンサが接続された状態と、短絡された状態とを切る替えるスイッチとをさらに備えており、前記コンデンサのリアクタンスは、プラズマが発生した後の状態における前記チャンバのリアクタンスの約２分の１である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバには、トロイダル方向の一部を絶縁するための第２の絶縁部がさらに設けられており、前記プラズマ生成装置は、前記第２の絶縁部を挟んだ、前記チャンバの両側の間に、コンデンサと、前記コンデンサに直列接続されたスイッチとをさらに備えており、前記コンデンサのリアクタンスは、プラズマが発生した後の状態における前記チャンバのリアクタンスの約２分の１である。

本発明によると、高周波電源が出力した高周波電流が、チャンバをトロイダル方向に流れる。これにより、チャンバの中心を通過する磁束が変化し、チャンバの内側の放電空間に、トロイダル方向の電界が発生する。当該電界によって、チャンバ内部の材料ガスがプラズマ化し、トロイダルプラズマが生成され、チャンバの内側の放電空間を、トロイダル方向にプラズマ電流が流れる。励磁電流である高周波電流が流れる経路の内側にプラズマ電流が流れる経路があり、両経路は近接して、両経路の中心軸がほぼ同じである。したがって、漏れ磁束を減少させることができ、結合を強めることができる。これにより、高周波電源が出力する電力を有効利用することができる。

第１実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。 第１実施形態に係るチャンバを説明するための図である。 図２（ｂ）の破線ＩＩＩで囲まれた部分の拡大図である。 図２（ｂ）のＩＶ-ＩＶ線断面図である。 チャンバの変形例を示す図である。 第２実施形態に係るプラズマ生成装置を説明するための図である。 第３ないし第５実施形態に係るプラズマ生成装置を説明するための図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図４は、第1実施形態に係るプラズマ生成装置を説明するための図である。図１は、第1実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。図２は、第1実施形態に係るチャンバを説明するための図である。図２(ａ)は、チャンバの外観斜視図であり、図２（ｂ）は、図２(ａ)のＩＩ-ＩＩ線断面図である。図３は、絶縁ギャップを説明するための図である。図３(ａ)は、図２（ｂ）の破線ＩＩＩで囲まれた部分の断面拡大図である。図３（ｂ）は、当該部分の分解図である。図４は、図２(ｂ)のＩＶ-ＩＶ線断面図である。

プラズマ生成装置Ａ１は、トロイダル形状の放電空間において、電磁誘導により高周波電界を発生させることで、放電空間に導入された材料ガスをプラズマ化し、トロイダルプラズマを発生させる、誘導結合型のプラズマ生成装置である。プラズマ生成装置Ａ１は、プラズマ化された材料ガスを、反応性ガスとして、薄膜形成処理やエッチング処理などのプラズマ処理工程に排出する。図１に示すように、プラズマ生成装置Ａ１は、チャンバ１、磁気コア２、高周波電源３、および、接続線４を備えている。

チャンバ１は、トロイダル形状の放電空間を有し、トロイダルプラズマを発生させるものである。図２に示すように、チャンバ１の本体１１は、軸に直交する断面が略円形状の筒を長円形状に形成したトロイダル形状をなしている。チャンバ１は、材料ガスを本体１１に導入するための開口であるインレットポート１２、および、プラズマ化された材料ガスである反応性ガスを本体１１から排出するための開口であるアウトレットポート１３を備えている。本実施形態においては、材料ガスが通過する２つの経路が同等の長さになるように、インレットポート１２の位置とアウトレットポート１３の位置とは、チャンバ１の本体１１における対角位置としている。なお、インレットポート１２の位置とアウトレットポート１３の位置は、これに限定されない。チャンバ１は、アルミニウムなどの金属製である。なお、チャンバ１の素材は限定されず、銅や鉄など他の金属であってもよい。また、ある程度強度があり、電流を流すものであればよく、例えば、超伝導セラミックやカーボンなどの導体であってもよい。また、チャンバ１の本体１１の断面（トロイダル方向の軸に直交する断面）は、略円形状に限定されず、長円形状や楕円形状、四角形などの多角形状であってもよい。

チャンバ１の本体１１には、トロイダル方向の一部で切り離された絶縁ギャップ１１ａ（図１および図３参照）が設けられている。図３に示すように、絶縁ギャップ１１ａは、本体１１の外壁１１ｂに設けられた２つのフランジ１１ｄ、２つのフランジ１１ｄの間に配置される絶縁スペーサ１４および中継アダプタ１５によって、隙間が維持されている部分であり、本体１１の切り離された部分を電気的に絶縁するためのものである。

絶縁スペーサ１４は、例えば絶縁性のセラミックのリングであり、チャンバ１の本体１１の切り離された部分が挿入されて、フランジ１１ｄに当接するように配置されている。絶縁スペーサ１４は、本体１１と中継アダプタ１５とが接触しないようにして、本体１１と中継アダプタ１５とを電気的に絶縁する。本体１１の切り離された部分の両側にそれぞれ配置されているので、２つの絶縁スペーサ１４が、用いられている。なお、絶縁スペーサ１４の素材は限定されず、本体１１と中継アダプタ１５との間に空間を生じさせられる剛性を有する絶縁体であればよい。

中継アダプタ１５は、チャンバ１の本体１１の切り離された部分を、絶縁ギャップ１１ａを維持した状態で、接続するものである。中継アダプタ１５は、例えばアルミニウム製の幅広のリングであり、内側部分が階段状になっている。本体１１の切り離された部分が、中継アダプタ１５の両側から挿入され、両側のフランジ１１ｄ同士が、例えばボルトとナットで固定される。中継アダプタ１５および２つの絶縁スペーサ１４によって、両側のフランジ１１ｄの間隔が規定され、本体１１の切り離された部分が、所定の隙間を空けて固定される。当該所定の隙間が、絶縁ギャップ１１ａになる。「絶縁ギャップ１１ａ」が、本発明の「絶縁部」に相当する。なお、「絶縁ギャップ１１ａ」および「絶縁スペーサ１４」をまとめて、本発明の「絶縁部」と考えることもできる。

また、チャンバ１の本体１１を密封するために、中継アダプタ１５と絶縁スペーサ１４との間に、Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７が配置されている。

Ｏリング１６は、例えばフッ素系ゴム製のリングである。Ｏリング１６は、絶縁スペーサ１４と中継アダプタ１５との間で、チャンバ１の本体１１の切り離された部分が挿入されて、配置されている。Ｏリング１６は、変形して、中継アダプタ１５の内面および本体１１の外壁１１ｂに密着し、本体１１を密封状態に保つ。なお、Ｏリング１６の素材は限定されず、弾力があって、中継アダプタ１５の内面と本体１１の外壁１１ｂとの間の隙間を密閉できるものであり、絶縁体であればよい。また、化学的に安定で耐熱性が高いものが望ましい。

Ｏリング加圧リング１７は、例えばテフロン（登録商標）製のリングである。Ｏリング加圧リング１７は、絶縁スペーサ１４とＯリング１６との間で、チャンバ１の本体１１の切り離された部分が挿入されて、配置されている。Ｏリング加圧リング１７は、外側の方が内側より幅広になっており、Ｏリング１６に接する側に傾斜が設けられている。Ｏリング加圧リング１７は、当該傾斜によってＯリング１６を加圧して変形を促すことで、Ｏリング１６の中継アダプタ１５および本体１１との密着性を高めている。なお、Ｏリング加圧リング１７の素材は限定されず、Ｏリング１６を加圧できる剛性を有する絶縁体であればよい。また、化学的に安定で耐熱性が高いものが望ましい。また、Ｏリング１６に接する側の傾斜は、必ずしも必要ではない。

Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７は、本体１１の切り離された部分の両側にそれぞれ配置されているので、それぞれ２つずつ用いられている。なお、Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７の構成は上述したものに限定されない。Ｏリング加圧リング１７でＯリング１６を加圧することによってＯリング１６を変形させて、本体１１を密封状態に保つように構成すればよい。また、Ｏリング１６のみで本体１１を密封状態に保てるのであれば、Ｏリング加圧リング１７を備えないようにしてもよい。また、本体１１の内部で生成された反応性ガスに対する耐性の高い部材を、Ｏリング１６よりも絶縁ギャップ１１ａ側に配置して、Ｏリング１６を保護するようにしてもよい。

図３（ａ）に示すように、Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７は、絶縁ギャップ１１ａから離れた位置に配置されるので、反応性ガスに晒されにくくなっており、反応性ガスによって劣化することを抑制されている。

本実施形態では、絶縁ギャップ１１ａを数ｍｍ程度の隙間としている。絶縁ギャップ１１ａが大きいほど、絶縁を保ちやすいが、反応性ガスが絶縁ギャップ１１ａの外側に侵入しやすくなるので、Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７が劣化しやすくなる。したがって、絶縁ギャップ１１ａは、絶縁を保てる範囲で、できるだけ小さくするのが望ましい。本実施形態では、中継アダプタ１５の軸方向の長さによって、絶縁ギャップ１１ａの大きさが決定される。したがって、中継アダプタ１５を取り換えることで、容易に、絶縁ギャップ１１ａの大きさを変更することができる。

なお、絶縁ギャップ１１ａを維持するための構造は、これに限られない。本実施形態では、中継アダプタ１５をアルミニウム製としたので、中継アダプタ１５と本体１１とが接触しないように絶縁スペーサ１４を配置しているが、中継アダプタ１５が絶縁体でできていれば、絶縁スペーサ１４を配置しなくてもよい。この場合、「絶縁ギャップ１１ａ」および「中継アダプタ１５」が、本発明の「絶縁部」に相当する。また、他の構造であっても、絶縁ギャップ１１ａを維持し、本体１１を密閉できるものであればよい。なお、本体１１を密閉でき、かつ、電気的に絶縁できればよいので、絶縁ギャップ１１ａを設ける代わりに、例えば、反応性ガスに対する耐性の高い絶縁体の樹脂などで、本体１１の切り離された部分を接続するようにしてもよい。この場合、当該「絶縁体の樹脂」が、本発明の「絶縁部」に相当する。

磁気コア２は、強磁性体のトロイダル形状のコアである。４つの磁気コア２は、それぞれがチャンバ１の本体１１の一部を取り囲むように（各磁気コア２を本体１１が貫通するように）設けられている。なお、磁気コア２の形状は限定されず、四角形の環形状であってもよい。

高周波電源３は、高周波電力を出力するものであり、電力系統からの交流電力を整流回路で直流電力に変換し、直流電力をインバータ回路で高周波電力に変換して出力する。また、高周波電源３は、制御回路を備えており、出力電力や出力電流を制御している。本実施形態では、高周波電源３は、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する。なお、高周波電源３の構成および周波数は限定されない。

接続線４は、高周波電源３の出力端子と、チャンバ１とを接続するものである。一方の接続線４は、高周波電源３の一方の出力端子とチャンバ１の一方のフランジ１１ｄ（図1においては記載を省略）とを接続し、他方の接続線４は、高周波電源３の他方の出力端子とチャンバ１の他方のフランジ１１ｄ（図1においては記載を省略）とを接続する。チャンバ１の本体１１は、２つのフランジ１１ｄの間で、絶縁ギャップ１１ａによって、電気的に絶縁されている。したがって、図１の細線矢印で示す電流経路が形成され、高周波電源３が出力する高周波電流は、チャンバ１の本体１１をトロイダル方向に流れる。なお、各接続線４は、各フランジ１１ｄではなく、チャンバ１の外壁１１ｂに接続するようにしてもよい。

なお、図示しないが、プラズマ生成装置Ａ１は、プラズマを着火するための高電圧パルスを印加する電極を備えていてもよい。また、紫外線照射によって、プラズマを着火するようにしてもよい。これらの場合、プラズマの着火を容易に行うことができる。また、後述する第３ないし第５実施形態のようにして、プラズマを着火するようにしてもよい。

また、図示しないが、プラズマ生成装置Ａ１は、チャンバ１の本体１１内部のプラズマの電流や電力を検出するためのセンサや、プラズマの発光光を検出するためのセンサなども備えている。高周波電源３は、センサの検出結果に応じて出力を制御するようにしてもよい。

また、高周波電源３とチャンバ１との間にインピーダンス整合装置を配置して、高周波電源３から見た負荷全体のインピーダンスを所望のインピーダンスに調整するようにしてもよい。

次に、プラズマの発生方法について説明する。

チャンバ１の本体１１内部には、インレットポート１２より材料ガスが導入される。材料ガスは、例えばフッ素ガスなどであるが、限定されない。

高周波電流がチャンバ１の本体１１をトロイダル方向に流れることにより、各磁気コア２の内部を通過する磁束が変化する。各磁気コア２の磁束の変化により、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間に、トロイダル方向の電界が発生する。当該電界によって、本体１１内部の材料ガスがプラズマ化し、トロイダルプラズマが生成され、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間をトロイダル方向にプラズマ電流が流れる。

例えば、図４に示すチャンバ１の本体１１の左側の断面において、本体１１に紙面の手前側に向かって電流が流れると、磁気コア２の内部に反時計回りの主磁束（同図に示す太線矢印参照）が発生する。そして、本体１１の内側の放電空間において、電磁誘導により、当該主磁束を打ち消そうとする逆起電力が誘起され、紙面の奥側に向かう電界が発生する。このとき、図４に示すチャンバ１の本体１１の右側の断面においては、本体１１に紙面の奥側に向かって電流が流れるので、磁気コア２の内部に時計回りの主磁束（同図に示す太線矢印参照）が発生し、本体１１の内側の放電空間に紙面の手前側に向かう電界が発生する。つまり、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間に、トロイダル方向の電界が発生する。

プラズマ化された材料ガスは、反応性ガスとして、アウトレットポート１３より排出される。

次に、本実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１の作用および効果について説明する。

本実施形態によると、高周波電源３が出力した高周波電流が、チャンバ１の本体１１をトロイダル方向に流れる。これにより、各磁気コア２の内部を通過する磁束が変化する。各磁気コア２の磁束の変化により、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間に、トロイダル方向の電界が発生する。当該電界によって、本体１１内部の材料ガスがプラズマ化し、トロイダルプラズマが生成され、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間をトロイダル方向にプラズマ電流が流れる。

本実施形態においては、高周波電源３が出力した高周波電流がチャンバ１の本体１１をトロイダル方向に流れ、プラズマ電流がチャンバ１の本体１１の内側の放電空間をトロイダル方向に流れる。つまり、励磁電流である高周波電流が流れる経路の内側にプラズマ電流が流れる経路があり、両経路は近接して、両経路の中心軸がほぼ同じである。図４に示すように、漏れ磁束（細線矢印参照）は、チャンバ１の本体１１の内壁１１ｃと、トロイダルプラズマＰとの間のプラズマシース部分にのみ発生する。プラズマシース部分は狭い領域である上に磁気抵抗が大きいので、漏れ磁束は、ごくわずかしか発生しない。したがって、漏れ磁束を減少させることができ、結合を強めることができる。これにより、高周波電源３が出力する電力を有効利用することができる。また、磁束を変化させるための一次巻線が必要ないので、一次次巻線のための設置スペースを省くことができ、プラズマ生成装置Ａ１を小型化することができる。また、製造コストを削減することができる。

また、本実施形態においては、磁気コア２が設けられており、磁束が磁気抵抗の小さい磁気コア２内を通過するので、同じ磁束を発生させるために必要な励磁電流が小さくなる。したがって、高周波電源３から出力させる高周波電流を抑制することができる。また、チャンバ１の本体１１を流れる電流を小さくできるので、チャンバ１での発熱を抑制することができる。

なお、上記第１実施形態においては、磁気コア２を４つ設けた場合について説明したが、これに限られず、磁気コア２の数は、その断面積に応じて、適宜設計すればよい。また、高周波電源３が周波数の高い高周波電流を出力する場合などには、磁気コア２を設けないようにしてもよい。この変形例の場合でも、高周波電流がチャンバ１の本体１１をトロイダル方向に流れると、本体１１のトロイダルの中心を貫く磁束が変化するので、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間に、トロイダル方向の電界が発生し、トロイダルプラズマが生成される。したがって、本変形例においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本変形例の場合、磁気コア２を設ける必要がないので、プラズマ生成装置Ａ１をより小型化することができ、また、製造コストを削減することができる。

上記第１実施形態においては、チャンバ１の本体１１が、長円形のトロイダル形状の場合について説明したが、これに限られない。本体１１は、例えば、円形や楕円形のトロイダル形状であってもよい。また、図５に示すチャンバ１’のように、四角形の環形状としてもよいし、当該四角形の角部を曲線状とした略四角形の環形状としてもよい。また、その他の多角形の環形状としてもよい。これらの場合でも、本体１１の内部の放電空間に、トロイダルプラズマを発生させることができる。したがって、本変形例においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１の場合、インレットポート１２から導入された材料ガスは、二手に分かれて、本体１１の内部のプラズマ中を通過し、アウトレットポート１３から排出される。絶縁ギャップ１１ａの近傍では、電位差による高周波電界が発生し、電界結合も発生するので、プラズマ化されやすい。したがって、絶縁ギャップ１１ａを通過する場合（図１に示す本体１１の右側の経路）と、絶縁ギャップ１１ａを通過しない場合（図１に示す本体１１の左側の経路）とでは、材料ガスのプラズマ化の度合いが異なり、排出される反応性ガスが不均一になる。当該不均一を抑制するようにした場合を、第２実施形態として、以下に説明する。

図６は、第２実施形態に係るプラズマ生成装置を説明するための図でる。図６（ａ）は、第２実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。図６（ａ）において、第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１（図１参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図６（ａ）に示すように、プラズマ生成装置Ａ２は、チャンバ１の本体１１に絶縁ギャップ１１ａ’が追加され、当該絶縁ギャップ１１ａ’を挟むように、チャンバ１の本体１１にコンデンサ６が接続されている点で、第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１と異なる。

絶縁ギャップ１１ａ’は、絶縁ギャップ１１ａと同様、チャンバ１の本体１１を電気的に絶縁するためのものである。絶縁ギャップ１１ａ’は、絶縁ギャップ１１ａの、チャンバ１の本体１１における対角位置に配置されている。絶縁ギャップ１１ａ’の周囲の構造も、絶縁ギャップ１１ａ（図３参照）と同様である。

コンデンサ６は、リアクタンスが、プラズマが発生した後の状態におけるチャンバ１のリアクタンスの約２分の１のコンデンサである。コンデンサ６は、絶縁ギャップ１１ａ’を挟むように、接続線５によって、チャンバ１の本体１１に接続されている。これにより、高周波電源３が出力する高周波電流は、接続線４、チャンバ１の本体１１の半分、コンデンサ６、チャンバ１の本体１１の半分、および、接続線４によって形成された電流経路（図６に示す細線矢印）を流れる。

図６（ｂ）は、プラズマ生成装置Ａ２の等価回路を示したものである。

チャンバ１のリアクタンスをＸ１、コンデンサ６のリアクタンスをＸ２とすると、Ｘ２＝（１／２）Ｘ１なので、絶縁ギャップ１１ａの両端間の電位差Ｖ１、および、絶縁ギャップ１１ａ’の両端間の電位差Ｖ２は、それぞれ下記式のようになる。なお、チャンバ１の本体１１に流れる電流をＩとしている。

Ｖ１＝ｊ（Ｘ１−Ｘ２）×Ｉ＝ｊ（１／２）Ｘ１×Ｉ
Ｖ２＝−ｊＸ２×Ｉ＝−ｊ（１／２）Ｘ１×Ｉ

つまり、｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜となり、絶縁ギャップ１１ａの近傍と絶縁ギャップ１１ａ’の近傍とでは、同じ大きさの高周波電界が発生する。したがって、絶縁ギャップ１１ａ’の近傍でも、絶縁ギャップ１１ａの近傍と同様の電界結合が発生する。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第２実施形態においては、絶縁ギャップ１１ａの近傍で発生する電界結合と、絶縁ギャップ１１ａ’の近傍で発生する電界結合とが同程度なので、絶縁ギャップ１１ａを通過する場合（図６（ａ）に示す本体１１の右側の経路）と、絶縁ギャップ１１ａ’を通過する場合（図６（ａ）に示す本体１１の左側の経路）とで、材料ガスのプラズマ化の度合いが同様になる。したがって、排出される反応性ガスが不均一になることを抑制することができる。

第２実施形態においては、絶縁ギャップ１１ａと絶縁ギャップ１１ａ’の位置が、チャンバ１の本体１１における対角位置である場合について説明したが、これに限られない。インレットポート１２からアウトレットポート１３に至る２つの経路のうちのいずれか一方の途中に絶縁ギャップ１１ａが設けられ、他方の途中に絶縁ギャップ１１ａ’が設けられていればよい。

次に、プラズマの発生前後で切り替えを行うことで、プラズマの着火を容易にした場合について、第３ないし第５実施形態として、以下に説明する。

一般に高周波電力によってプラズマを発生させるプラズマ生成装置においては、プラズマが発生する前の状態とプラズマが発生した後の状態とでは、プラズマ生成装置のインピーダンスが大きく異なる。第１および第２実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１，Ａ２においても、プラズマが発生する前の状態とプラズマが発生した後の状態とでは、インピーダンスが大きく異なる。プラズマが発生した後の状態においては、第２実施形態において説明したように、絶縁ギャップ１１ａおよび絶縁ギャップ１１ａ’において、電圧のバランスが取れている事が好ましい。一方、プラズマが発生する前の状態においては、高周波電圧の印加によってプラズマが容易に着火する事が要求される。

図７（ａ）は、第３実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。図７（ａ）において、第２実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ２（図６（ａ）参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図７（ａ）に示すように、プラズマ生成装置Ａ３は、コンデンサ６に代えて、コンデンサ６とコンデンサ６’とを切り替える回路９１が接続されている点で、第２実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ２と異なる。

回路９１は、コンデンサ６とスイッチ７とを直列接続したものと、コンデンサ６’とスイッチ７’とを直列接続したものとを、並列接続したものである。コンデンサ６は、第２実施形態に係るコンデンサ６と同様のものであり、リアクタンスが、プラズマが発生した後の状態におけるチャンバ１のリアクタンスの約２分の１のコンデンサである。コンデンサ６’は、リアクタンスが、プラズマが発生する前の状態におけるチャンバ１のリアクタンスと略同一のコンデンサである。スイッチ７は、プラズマが発生する前はオフになり、プラズマが発生した後はオンになる。一方、スイッチ７’は、プラズマが発生する前はオンになり、プラズマが発生した後はオフになる。つまり、プラズマが発生する前は、コンデンサ６’が、接続線５によってチャンバ１の本体１１に接続された状態（図７（ａ）に示す状態）となり、プラズマが発生した後は、コンデンサ６が、接続線５によってチャンバ１の本体１１に接続された状態となる。なお、スイッチ７，７’は、チャンバ１の本体１１内部のプラズマの状態（電流や電力、プラズマの発光光）を検出するセンサによる検出結果に基づいて切り替えるようにしてもよいし、高周波電源３が検出した負荷のインピーダンスの変化に基づいて切り替えるようにしてもよい。

第３実施形態においては、プラズマが発生した後は、コンデンサ６が接続された状態となり、第２実施形態と同様の構成になるので、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。また、プラズマが発生する前は、リアクタンスがチャンバ１のリアクタンスと略同一であるコンデンサ６’が接続された状態となる。チャンバ１のリアクタンスとコンデンサ６’のリアクタンスとが略同一なので、チャンバ１とコンデンサ６’とが直列共振状態になって、高周波電源３から見た負荷全体のインピーダンスはゼロに近くなる。したがって、絶縁ギャップ１１ａ’の両端間に高電圧が印加され、プラズマの着火が容易になる。

なお、スイッチ７，７’に代えて単極双投形のスイッチを備えるようにして、接続線５にコンデンサ６を接続した状態と、接続線５にコンデンサ６’を接続した状態とを切り替えるようにしてもよい。

図７（ｂ）は、第４実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。図７（ｂ）において、第２実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ２（図６（ａ）参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図７（ｂ）に示すように、プラズマ生成装置Ａ４は、コンデンサ６に代えて、コンデンサ６との接続状態と短絡状態とを切り替える回路９２が接続されている点で、第２実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ２と異なる。

回路９２は、単極双投形のスイッチ８を備えており、当該スイッチ８によって、接続線５にコンデンサ６を接続した状態と、接続線５を短絡した状態とを切り替える。コンデンサ６は、第２実施形態に係るコンデンサ６と同様のものであり、リアクタンスが、プラズマが発生した後の状態におけるチャンバ１のリアクタンスの約２分の１のコンデンサである。スイッチ８は、プラズマが発生する前は、接続線５を短絡した状態（図７（ｂ）に示す状態）に切り替え、プラズマが発生した後は、接続線５にコンデンサ６を接続した状態に切り替える。なお、スイッチ８の切り替えは、第３実施形態と同様にして行われる。

第４実施形態においては、プラズマが発生した後は、コンデンサ６が接続された状態となり、第２実施形態と同様の構成になるので、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。また、プラズマが発生する前は、接続線５が短絡されて、絶縁ギャップ１１ａ’が短絡された状態になる。この場合、高周波電源３から見たインピーダンスはチャンバ１のリアクタンスのみになり、絶縁ギャップ１１ａの両端間に、高周波電源３の出力電圧が直接印加される。したがって、絶縁ギャップ１１ａの両端間に高電圧が印加され、プラズマの着火が容易になる。

なお、回路９２に代えて、コンデンサ６とスイッチ７とを直列接続したものと、スイッチ７’とを、並列接続したもの（図７（ａ）に示す回路９１において、コンデンサ６’の代わりに短絡したもの）としてもよい。また、回路９２に代えて、コンデンサ６とスイッチ７とを並列接続したものとしてもよい。この場合、スイッチ７がオンのときに短絡状態となり、スイッチ７がオフのときにコンデンサ６が接続された状態になる。

図７（ｃ）は、第５実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。図７（ｃ）において、第２実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ２（図６（ａ）参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図７（ｃ）に示すように、プラズマ生成装置Ａ５は、コンデンサ６に直列接続するスイッチ７を追加した点で、第２実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ２と異なる。

回路９３は、コンデンサ６とスイッチ７とを直列接続したものである。コンデンサ６は、第２実施形態に係るコンデンサ６と同様のものであり、リアクタンスが、プラズマが発生した後の状態におけるチャンバ１のリアクタンスの約２分の１のコンデンサである。スイッチ７は、プラズマが発生する前はオフになり、プラズマが発生した後はオンになる。つまり、プラズマが発生する前は、２つの接続線５の間が開放された状態（図７（ｃ）に示す状態）となり、プラズマが発生した後は、コンデンサ６が、接続線５によってチャンバ１の本体１１に接続された状態となる。なお、スイッチ７の切り替えは、第３実施形態と同様にして行われる。

第５実施形態においては、プラズマが発生した後は、コンデンサ６が接続された状態となり、第２実施形態と同様の構成になるので、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。また、プラズマが発生する前は、２つの接続線５の間が開放されて、高周波電源３から見たインピーダンスは無限大に近くなる。この場合、絶縁ギャップ１１ａ’の両端間に、高周波電源３の出力電圧が直接印加される。したがって、高周波電源３の無負荷電圧が十分大きければ、絶縁ギャップ１１ａ’の両端間に高電圧が印加され、プラズマの着火が容易になる。

本発明に係るプラズマ生成装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るプラズマ生成装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５ プラズマ生成装置
１ チャンバ
１１ 本体
１１ａ，１１ａ’ 絶縁ギャップ
１１ｂ 外壁
１１ｃ 内壁
１１ｄ フランジ
１２ インレットポート
１３ アウトレットポート
１４ 絶縁スペーサ
１５ 中継アダプタ
１６ Ｏリング
１７ Ｏリング加圧リング
２ 磁気コア
３ 高周波電源
４、５ 接続線
６，６’ コンデンサ
７，７’，８ スイッチ
９１，９２，９３ 回路
Ｐ トロイダルプラズマ

Claims (6)

1. トロイダル形状の放電空間を有する導体製のチャンバであって、トロイダルの周方向の一部分であり、かつ、前記周方向に直交する断面の全周にわたる絶縁部が設けられているチャンバと、
   高周波電流を出力する高周波電源と、
   前記高周波電源の一方の出力端子と、前記チャンバの前記絶縁部の近辺とを接続する第１の接続線と、
   前記高周波電源の他方の出力端子と、前記チャンバの、前記第１の接続線が接続された位置に対して前記絶縁部を挟んだ側の近辺とを接続する第２の接続線と、
   を備えていることを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 前記チャンバの一部を取り囲むように配置された磁気コアをさらに備えている、
   請求項１に記載のプラズマ生成装置。
3. 前記絶縁部は、前記チャンバを前記周方向の一部で切り離した隙間を維持したものである、
   請求項１または２に記載のプラズマ生成装置。
4. 前記チャンバの前記絶縁部を挟んだ両側には、それぞれ外壁にフランジが設けられており、
   前記チャンバの切り離された部分が両側から挿入された状態で、２つの前記フランジの間に配置されて、前記隙間の大きさを規定する中継アダプタをさらに備えている、
   請求項３に記載のプラズマ生成装置。
5. 前記中継アダプタの内面と前記チャンバの外壁との間に配置され、両者に密着するように変形することで前記チャンバを密封状態に保つ弾性リングをさらに備えている、
   請求項４に記載のプラズマ生成装置。
6. 前記チャンバには、前記周方向の一部分であり、かつ、前記断面の全周にわたる第２の絶縁部がさらに設けられており、
   前記第２の絶縁部を挟んだ、前記チャンバの両側の間には、コンデンサが接続されており、
   前記コンデンサのリアクタンスは、プラズマが発生した後の状態における前記チャンバのリアクタンスの約２分の１である、
   請求項１ないし５のいずれかに記載のプラズマ生成装置。