JPH07263183A - プラズマ源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的大面積であって高密度かつ不純物混入
の少ないプラズマを、簡単な構造によって生成すること
ができるプラズマ源を提供する。 【構成】 このプラズマ源は、ガス導入管６０を通して
ガスが導入されるプラズマ生成容器２２と、このプラズ
マ生成容器２２内に先端部が通じるように配置されかつ
その先端部に円板部２６が設けられたアンテナ２４と、
この円板部２６の周りをそれとの間に環状の空間７０を
あけて同軸状に取り囲む外部電極２８と、アンテナ２４
と外部電極２８間に高周波電力を供給して両者間に高周
波電界を生じさせる高周波発振器５０と、アンテナ２４
の先端部付近の周りを同軸状に取り囲むように配置され
ていて、円板部２６と外部電極２８との間に発生する高
周波電界と直交する磁界を発生させる第１の磁石５２と
を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、ドライエッ
チング、プラズマＣＶＤ等に用いられる、あるいは引出
し電極系と組み合わせることによってイオン源として用
いられるプラズマ源に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のプラズマ源の従来例が、例えば
特開昭６２−３１９９９号公報に開示されている。

【０００３】それを要約して説明すると、このプラズマ
源は図３に示すように、プラズマ生成容器２の側壁２ａ
の内側に多数の永久磁石４をカスプ磁場を作るように配
置し、更にマイクロ波放射用の棒状のアンテナ１０を、
図４にも拡大して示すように、各永久磁石４の中心線６
上のＥＣＲ条件を満足する磁場強度（例えば２．４５Ｇ
Ｈｚに対して８７５ガウス）の点にそれぞれ配置してい
る。両図中の８は磁力線の一例を示す。

【０００４】そしてこのようなプラズマ生成容器２内を
真空排気すると共にそこにガスを所定圧力になるように
導入し、各アンテナ１０にマイクロ波電力を供給する
と、ＥＣＲ条件を満足するマイクロ波放電によって各ア
ンテナ１０の周りにプラズマ１４が励起され、そしてこ
れが永久磁石４の発散磁場に沿ってプラズマ生成容器２
の中央部付近に拡散される。

【０００５】このようにして、この従来のプラズマ源
は、比較的大面積のプラズマ１４を生成することができ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記プラズ
マ源は、マイクロ波導入用のアンテナ１０が多数必要で
あり、かつＥＣＲ磁場形成用の永久磁石４もプラズマ１
４に曝される状態で多数必要であるため、構造が複雑で
あるという問題がある。

【０００７】また、アンテナ１０の近傍で生成されたプ
ラズマ１４を構成する電子やイオンは、磁力線８に巻き
付いて近くの永久磁石４に、または当該永久磁石４が側
壁２ａの外側に配置されている場合は近くの側壁２ａに
衝突して消滅するため、プラズマ１４の損失が大きく、
従って高密度のプラズマ１４を生成するのが難しいとい
う問題がある。

【０００８】また、磁力線８が集中するカスプ磁場の一
番強い所には、電子やイオンも集中するが、ちょうどそ
こに各アンテナ１０が配置されているため、これらの粒
子によってアンテナ１０がスパッタされ、それによって
生じた不純物がプラズマ１４中に混入しやすいという問
題もある。

【０００９】そこでこの発明は、比較的大面積であって
高密度かつ不純物混入の少ないプラズマを、簡単な構造
によって生成することができるプラズマ源を提供するこ
とを主たる目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のプラズマ源は、ガスが導入されるプラズ
マ生成容器と、このプラズマ生成容器内に先端部が通じ
るように配置されたアンテナと、このアンテナの先端部
の周りを当該先端部との間に空間をあけて同軸状に取り
囲むように配置された外部電極と、前記アンテナと外部
電極との間に高周波電力を供給して両者間に高周波電界
を生じさせる高周波発振器と、前記アンテナの先端部付
近の周りを同軸状に取り囲むように配置されていて、ア
ンテナの先端部と外部電極との間に発生する高周波電界
と直交する磁界を発生させる第１の磁石とを備えること
を特徴とする。

【００１１】

【作用】上記のようにアンテナ、外部電極および第１の
磁石を配置することによって、アンテナの先端部と外部
電極間の環状の空間においてその径方向に高周波電界Ｅ
が形成され、かつそれに直交する磁界Ｂが第１の磁石に
よって形成され、Ｅ×Ｂドリフト（ＥとＢは共にベクト
ル量。以下同じ）の方向を環状の空間の周方向とする交
流マグネトロン構造が実現されている。

【００１２】その結果、アンテナの先端部と外部電極間
の高周波放電によって生成される電子は、上記環状の空
間においてＥ×Ｂドリフトによって周方向に運動エネル
ギーを与えられるが、この運動方向には端がなく、電子
は端部での衝突による消滅がないため、当該電子には非
常に効率良くエネルギーが供給される。言い換えると、
高周波電力が電子の運動エネルギーとして非常に効率良
く吸収される。従って当該電子は高速電子となる。

【００１３】この高速電子と、プラズマ生成容器内に導
入されたガス分子との衝突によって、上記環状の空間付
近で更にプラズマが生成される。しかもこのようにして
生成されたプラズマ中の電子も、アンテナの先端部近傍
のものは、アンテナからの高周波電力を効率良く吸収
し、しかも前述の高速電子と同様に端部での衝突による
消滅がないため、これらの総合的な作用により、高周波
電力は効率良くプラズマに吸収される。

【００１４】このようにして、アンテナの先端部とその
周りの外部電極間の環状の空間付近に、比較的大面積で
しかも高密度のプラズマが生成される。しかも、Ｅ×Ｂ
ドリフトによる電子の運動方向には端がないため、電子
が構造物に衝突してスパッタさせる割合が少なく、従っ
て不純物混入の少ないプラズマが生成される。

【００１５】

【実施例】図１は、この発明の一実施例に係るプラズマ
源を示す断面図である。図には、図１中の外部電極周り
を下から見上げて示す概略斜視図である。

【００１６】この実施例のプラズマ源は、両端が開いた
円筒状のプラズマ生成容器２２を有している。このプラ
ズマ生成容器２２内は、例えばその一方の開口部２２ｂ
を通して、図示しない真空排気装置によって真空排気さ
れる。また、このプラズマ生成容器２２の側壁２２ａに
は、複数のポート５８が設けられており、その内の一つ
に挿入されたガス導入管６０を通して、プラズマ生成容
器２２内に所望のガスが導入される。

【００１７】このプラズマ生成容器２２の他方の開口部
２２ｃに先端部が通じるように、高周波導入用のアンテ
ナ２４が配置されている。このアンテナ２４は、例えば
中実の棒状または柱状でも良いし、中空の棒状または柱
状でも良い。このアンテナ２４の先端部には、この実施
例では、当該先端部と直交するように、円板部２６を設
けている。この円板部２６は、中実構造でも良いし中空
構造でも良い。

【００１８】この実施例においては、アンテナ２４は、
図示は簡略化しているが、二重パイプ構造とし、かつ円
板部２６内をアンテナ２４内につながる中空構造とし
て、アンテナ２４および円板部２６の内部に冷却水を供
給してそれらを強制的に冷却することができるようにし
ている。これは、プラズマ６２から円板部２６およびア
ンテナ２４に熱の流入があり、それによる円板部２６お
よびアンテナ２４の温度上昇を軽減する上で好ましいか
らである。

【００１９】プラズマ生成容器２２の他方の開口部２２
ｃは、この実施例では、真空フランジを兼ねる外部電極
２８によって蓋をされている。この外部電極２８は、こ
の実施例では円環状をしており、アンテナ２４の先端部
の周りを、より具体的にはこの実施例では同先端部に設
けられた円板部２６の周りを、当該円板部２６との間に
円環状の空間７０をあけて同軸状に取り囲むように配置
されている。

【００２０】この外部電極２８内には、この実施例で
は、環状の溝３０が形成されており、そこに冷却水を供
給して外部電極２８を強制的に冷却することができるよ
うにしている。これは、この外部電極２８にもプラズマ
６２からの熱の流入があり、それによる外部電極２８の
温度上昇を軽減する上で好ましいからである。

【００２１】外部電極２８には筒部３２がこの例では一
体的に取り付けられており、この筒部３２の外側には筒
４２が矢印Ｃのように上下にスライド可能に嵌められて
おり、ねじ４４によって筒４２を上下にスライドさせ
て、筒４２内の空胴４３の長さを調整可能にしている。
筒部３２および筒４２は、この実施例では円筒状をして
いる。筒４２内には、チューニング板４６が矢印Ｄのよ
うに上下にスライド可能に嵌め込まれており、ねじ４８
によってチューニング板４６を上下にスライドさせて、
これによっても上記空胴４３の長さを調整可能にしてい
る。空胴４３の長さを調整可能にしているのは、後述す
る高周波発振器５０からの高周波電力、より具体的には
この実施例ではマイクロ波電力が、効率良くアンテナ２
４に供給されるようにするためである。

【００２２】アンテナ２４と筒部３２との間には、真空
気密保持と高周波の絶縁を兼ねる電流導入端子３８が設
けられている。この電流導入端子３８は、図示は簡略化
しているが、外周部に多数のひだを有するアルミナ製の
絶縁筒３８ａの大気圧側の端部のメタライズ部分にコバ
ール３８ｂをロウ付けし、このコバール３８ｂにフラン
ジ３８ｃをロウ付けしたハーメチックシール構造をして
いる。

【００２３】また、アンテナ２４と筒部３２との間に
は、空間を塞いでそこでのプラズマの生成を防止するた
めに、円筒状をした絶縁物３４および３６が設けられて
いる。この絶縁物３４および３６は、例えば石英、ガラ
ス、耐熱ガラス、アルミナ、マコール（快削性セラミッ
ク）等から成る。これにより、プラズマ６２の生成時の
ロスが減じると共に、プラズマ６２による絶縁物３４お
よび３６自身の損傷が防止でき、都合が良い。４０は電
流導入端子３８のフランジ３８ｃと筒部３２との間に設
けられた真空シール用パッキンである。

【００２４】筒４２の側部外側には、高周波発振器５０
が取り付けられており、そこで発生させた高周波電力
を、空胴４３の部分においてアンテナ２４と筒４２との
間に供給するようにしている。筒４２と外部電極２８と
は筒部３２を介して電気的に接続されているので、高周
波発振器５０からの高周波電力は、結局はアンテナ２４
と外部電極２８との間に供給され、両者間に、取り分け
円板部２６と外部電極２８間の円環状の空間７０に、そ
の径方向に高周波電界Ｅ（図２参照）を生じさせる。

【００２５】高周波発振器５０は、この実施例ではマグ
ネトロン発振器であり、例えば２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波電力を出力する。もっともこの高周波発振器は、上
記以外の周波数の高周波電力を出力するものでも良い。

【００２６】筒３２の根元の外側には、アンテナ２４の
先端部付近の周りを当該先端部との間に間をあけて同軸
状に取り囲むように、円環状の（円筒状とも言える）第
１の磁石５２が設けられている。この磁石５２の下端面
は、この実施例では、前述した円板部２６と外部電極２
８間の円環状の空間７０にほぼ対向するように配置され
ている。このような磁石５２によって、アンテナ２４の
先端部の円板部２６と外部電極２８との間の空間７０に
発生する高周波電界Ｅと直交する磁界Ｂ（図２参照）
を、円板部２６を包み込むように発生させることができ
る。

【００２７】磁石５２は、この実施例では円環状または
円筒状の永久磁石であるが、円環状または円筒状の電磁
石であっても良い。

【００２８】なお、上記プラズマ生成容器２２、アンテ
ナ２４、円板部２６、外部電極２８、筒部３２、筒４２
およびフランジ３８ｃ等は、例えばステンレス、銅、真
鍮等の非磁性体から成る。

【００２９】プラズマ生成容器２２の側壁部には、この
実施例では、当該プラズマ生成容器２２内に、より具体
的にはその側壁２２ａの内側近傍に、カスプ磁場（多極
磁場）、より具体的には線カスプ磁場を形成する第２の
磁石５４を設けている。図１中の５６は、この磁石５４
による磁力線の一例を示す。

【００３０】磁石５４は、より具体的にはこの実施例で
は、プラズマ生成容器２２の側壁２２ａの外側の周りに
環状に、かつプラズマ６２の引出し方向に、即ちこの実
施例ではプラズマ生成容器２２の開口部２２ｂに向け
て、複数段に配置されている。各段の磁石５４は、例え
ば、複数個の小さい永久磁石を円環状または多角形環状
に並べたものでも良いし、半環状の永久磁石を２個合わ
せたものでも良いし、環状の永久磁石でも良い。あるい
は、永久磁石の代わりに電磁石を用いても良い。

【００３１】このプラズマ源においては、上記のように
アンテナ２４の円板部２６、外部電極２８および磁石５
２を配置することによって、図２に示すように、アンテ
ナ２４の先端部の円板部２６と外部電極２８間の円環状
の空間７０においてその径方向に高周波電界Ｅが形成さ
れ、かつそれに直交する磁界Ｂが磁石５２によって形成
され、Ｅ×Ｂドリフト（ＥとＢは共にベクトル量）の方
向を円環状の空間７０の周方向とする交流マグネトロン
構造が実現されている。

【００３２】このようなプラズマ源における動作を説明
すると、プラズマ生成容器２２内を真空排気すると共に
そこに所望のガスを所定圧力（例えば１Ｔｏｒｒ〜１０
^-4Ｔｏｒｒ程度）になるように導入し、高周波発振器５
０からアンテナ２４と外部電極２８間に高周波電力を供
給すると、アンテナ２４の円板部２６と外部電極２８と
の間の空間７０において高周波放電が生じてプラズマ６
２が励起される。

【００３３】このようにして励起・生成されたプラズマ
６２中の電子は、上記円環状の空間７０においてＥ×Ｂ
ドリフトによって周方向に運動エネルギーを与えられる
が、この運動方向には端がなく、電子は端部での衝突に
よる消滅がないため、当該電子には非常に効率良くエネ
ルギーが供給される。言い換えると、高周波電力が電子
の運動エネルギーとして非常に効率良く吸収される。従
って当該電子は高速電子となる。

【００３４】この高速電子と、プラズマ生成容器２２内
に導入されたガス分子との衝突によって、上記空間７０
付近で更にプラズマ６２が生成される。しかもこのよう
にして生成されたプラズマ６２中の電子も、アンテナ２
４の円板部２６近傍のものは、アンテナ２４からの高周
波電力を効率良く吸収し、しかも前述の高速電子と同様
に端部での衝突による消滅がないため、これらの総合的
な作用により、高周波電力は効率良くプラズマ６２に吸
収される。

【００３５】このようにして、アンテナ２４の先端部の
円板部２６とその周りの外部電極２８間の環状の空間７
０付近に、比較的大面積でしかも高密度のプラズマ６２
が生成される。しかも、Ｅ×Ｂドリフトによる電子の運
動方向には端がないため、電子が構造物に衝突してスパ
ッタさせる割合が少なく、従って不純物混入の少ないプ
ラズマ６２が生成される。

【００３６】また、このプラズマ源の基本的な構造は、
上記のように配置されたアンテナ２４、外部電極２８お
よび磁石５２であるので、従来例の多数のアンテナを用
いたプラズマ源に比べて、構造が簡単である。

【００３７】上記のようにして生成されたプラズマ６２
は、プラズマ生成容器２２の中心部方向へ拡散し、プラ
ズマ生成容器２２内に充満する。その場合、この実施例
のようにプラズマ生成容器２２の側壁部内にカスプ磁場
を形成しておくと、それによってプラズマ６２を構成す
る電子およびイオンを効率良く閉じ込めることができる
ので、高密度でしかもより大面積かつより均一なプラズ
マ６２を得ることができる。

【００３８】このようにしてプラズマ生成容器２２内に
生成されたプラズマ６２は、それをそのまま開口部２２
ｂから引き出して、例えばドライエッチング、プラズマ
ＣＶＤ等に利用することができる。

【００３９】また、開口部２２ｂの外側近傍に引出し電
極系６４を設けておけば、それと組み合わせてこのプラ
ズマ源をイオン源、より具体的には高周波イオン源とし
て利用することができる。即ち、プラズマ生成容器２２
内に生成されたプラズマ６２から、引出し電極系６４の
電界の作用によって、イオンビームを引き出すことがで
きる。

【００４０】図示例の引出し電極系６４は、プラズマ生
成容器２２と同電位にされていて、図示しない引出し電
源から正の高電圧が印加されるプラズマ電極６６と、そ
の下流側にあって接地電位にされる接地電極６８とで構
成されている。両電極６６、６８のイオン引出し孔は、
多孔でも、メッシュ状でも、スリット状でも良い。もっ
とも、引出し電極系６４の構成は上記のようなものに限
定されるものではなく、例えば、負電位にされる抑制電
極を両電極６６、６８間に更に設けたもの等でも良い。

【００４１】上記イオン源からは、プラズマ生成容器２
２内で生成されるプラズマ６２が高密度、大面積かつ高
均一性であることから、高電流密度、大面積かつ高均一
性のイオンビームを引き出すことができる。このような
イオン源によって、大面積の被処理物に対して均一に高
速でイオン注入を行うことができる。このようなイオン
源は、半導体への不純物注入、物質の表面改質等に利用
することができる。

【００４２】なお、上記実施例ではアンテナ２４の先端
部に円板部２６を設けているが、このような円板部２６
を設けずに、アンテナ２４の先端部と外部電極２８とを
同軸状に構成しても良い。その場合でも、外部電極２８
の内径を大きくしておくと、それとアンテナ２４の先端
部間の空間７０は比較的大きな面積のままなので、そこ
で比較的大面積のプラズマ６２を生成することができ
る。このとき、アンテナ２４の先端部と外部電極２８間
の距離が大きくて、空間７０における高周波電界Ｅが弱
くてプラズマ６２が励起されにくい場合は、高周波発振
器５０から供給する高周波電力を増大させれば良い。

【００４３】あるいは、アンテナ２４全体またはその先
端部付近を太くしても良く、そのようにすれば、空間７
０の面積を比較的大きくしたままで、アンテナ２４の先
端部と外部電極２８間の距離を小さくすることができる
ので、高周波発振器５０から供給する電力をあまり増大
させずに済む。但し、アンテナ２４またはその先端部の
周りが幾分大型化する。

【００４４】このように、アンテナ２４の先端部には必
ずしも円板部２６を設けなくても良いが、この実施例の
ようにそれを設けておくのが好ましく、そのようにすれ
ば、アンテナ２４全体またはその先端部付近を太くする
ことなく、しかも空間７０の面積を比較的大きくしたま
まで、高周波発振器５０から供給する電力をあまり増大
させずに済む。

【００４５】また、上記実施例では、プラズマ生成容器
２２の側壁２２ａの部分に、カスプ磁場形成用の磁石５
４を設けているが、このような磁石５４を設けなくて
も、前述したようにアンテナ２４の先端部と外部電極２
８間の環状の空間７０付近において、比較的大面積であ
って高密度かつ不純物混入の少ないプラズマ６２を生成
することができる。その場合、必要に応じて、プラズマ
生成容器２２の軸方向の長さを短くして、開口部２２ｂ
を空間７０に近づけてプラズマ６２を引き出しやすくし
ても良い。

【００４６】このように、カスプ磁場形成用の磁石５４
は必ずしも設けなくても良いが、この実施例のようにそ
れを設けておくのが好ましく、そのようにすれば、空間
７０付近で生成されプラズマ生成容器２２内に広がった
プラズマ６２をカスプ磁場によってプラズマ生成容器２
２内に効率良く閉じ込めることができるので、高密度で
しかもより大面積かつより均一なプラズマ６２を得るこ
とができる。

【００４７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、アンテ
ナの先端部、外部電極および第１の磁石によって、Ｅ×
Ｂドリフトの方向を環状の空間の周方向とする交流マグ
ネトロン構造を実現しているので、比較的大面積であっ
て高密度かつ不純物混入の少ないプラズマを、簡単な構
造によって生成することができる。

【００４８】また、アンテナの先端部に円板部を設けて
おけば、アンテナ全体またはその先端部付近を太くする
ことなく、高周波発振器から供給する高周波電力をあま
り増大させずに済む。

【００４９】また、プラズマ生成容器の側壁部に、当該
プラズマ生成容器内にカスプ磁場を形成する第２の磁石
を設けておけば、当該カスプ磁場によってプラズマ生成
容器内のプラズマを効率良く閉じ込めることができるの
で、高密度でしかもより大面積かつより均一なプラズマ
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係るプラズマ源を示す断
面図である。

【図２】図１中の外部電極周りを下から見上げて示す概
略斜視図である。

【図３】従来のプラズマ源の半径方向の断面図である。

【図４】図３中の永久磁石周りを拡大して部分的に示す
図である。

【符号の説明】

２２ プラズマ生成容器 ２４ アンテナ ２６ 円板部 ２８ 外部電極 ５０ 高周波発振器 ５２ 第１の磁石 ５４ 第２の磁石 ６０ ガス導入管 ６２ プラズマ ６４ 引出し電極系 ７０ 空間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスが導入されるプラズマ生成容器と、
   このプラズマ生成容器内に先端部が通じるように配置さ
   れたアンテナと、このアンテナの先端部の周りを当該先
   端部との間に空間をあけて同軸状に取り囲むように配置
   された外部電極と、前記アンテナと外部電極との間に高
   周波電力を供給して両者間に高周波電界を生じさせる高
   周波発振器と、前記アンテナの先端部付近の周りを同軸
   状に取り囲むように配置されていて、アンテナの先端部
   と外部電極との間に発生する高周波電界と直交する磁界
   を発生させる第１の磁石とを備えることを特徴とするプ
   ラズマ源。
2. 【請求項２】 前記アンテナの先端部にそれと直交する
   ように円板部を設け、前記外部電極がこの円板部の周り
   を当該円板部との間に空間をあけて同軸状に取り囲むよ
   うに配置されている請求項１記載のプラズマ源。
3. 【請求項３】 前記プラズマ生成容器の側壁部に、当該
   プラズマ生成容器内にカスプ磁場を形成する第２の磁石
   を更に備えている請求項１または２記載のプラズマ源。