(57)【要約】      （修正有）【課題】種々のマイクロ波周波数での使用に容易に適合できる、比較的大きな面積に亙って実質的に均一なプラズマを維持するための、マイクロ波プラズマ装置を提供する。【解決手段】プラズマをプラズマ領域内２０，２０ａにおいて維持するための真空容器１２。真空容器１２内の、プラズマ領域２０，２０ａに並列に基板を支持するための手段。真空容器１２を望みの圧力に維持するための手段。真空容器１２に作用ガスを導入するための手段１８，１８ａ。遮断波長を制御するための手段を備えた非エバネッセントマイクロ波アプリケータ４０。前記アプリケータ４０は少なくともその一部が真空容器１２内に伸長しており且つ電源からのマイクロ波エネルギーを真空容器１２内へ放射し、プラズマ領域２０，２０ａから前記アプリケータ４０を気体絶縁するための手段６０を具備する。【選択図】図１
2010045037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成より成ることを特徴とする、比較的大きな面積に亙って実質的に均一なプラズマを維持するための、マイクロ波装置：
前記プラズマをプラズマ領域内において維持するための真空容器；
前記真空容器内の、前記プラズマ領域に並列に基板を支持するための手段；
前記真空容器を望みの圧力に維持するための手段；
前記真空容器に作用ガスを導入するための手段；
遮断波長を制御するための手段を備えた非エバネッセントマイクロ波アプリケータ、前記アプリケータは少なくともその一部が前記真空容器内に伸長しており且つ電源からのマイクロ波エネルギーを前記真空容器内へ放射する；及び
前記プラズマ領域から前記アプリケータを気体絶縁するための手段。
【請求項２】
前記アプリケータが、以下の構成より成ることを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置：
長手方向の軸に沿って伸長している細長い表面を有する導波管、前記導波管は前記マイクロ波エネルギーを放出するために前記表面に形成された開口部を有する；及び
前記導波管内に配置されたある容積の誘電材料、前記容積の誘電材料は前記制御するための手段として機能する。
【請求項３】
前記誘電材料が約2.0 に等しいかそれより大きい誘電率を具備することを特徴とする、請求項２のマイクロ波装置。
【請求項４】
前記誘電材料が約3.0 に等しいかそれより大きい誘電率を具備することを特徴とする、請求項２のマイクロ波装置。
【請求項５】
前記誘電材料が約0.10に等しいかそれより小さい誘電正接を具備することを特徴とする、請求項２のマイクロ波装置。
【請求項６】
前記誘電材料がアルミナ、アルミナと二酸化珪素の混合物、二酸化チタン、イットリウム・鉄・ガーネット、及びポリ・テトラフルオロ・エチレンから成る群から選ばれていることを特徴とする、請求項２のマイクロ波装置。
【請求項７】
前記開口部が前記表面の長手方向の範囲に沿って間隔を空けて配置された複数個の開口部から成ることを特徴とする、請求項２のマイクロ波装置。
【請求項８】
前記開口部が単一の開口から成ることを特徴とする、請求項２のマイクロ波装置。
【請求項９】
前記単一開口が前記表面の長手方向の範囲に沿って細長くなっていることを特徴とする、請求項８のマイクロ波装置。
【請求項１０】
前記開口部が前記導波管から前記マイクロ波エネルギーを均一に放射するように適合されていることを特徴とする、請求項２のマイクロ波装置。
【請求項１１】
前記アプリケータが更に、前記開口部から放出される前記マイクロ波エネルギーの少なくとも一部分を塞ぐための閉止手段を含むことを特徴とする、請求項２のマイクロ波装置。
【請求項１２】
前記導波管が長方形導波管、正方形導波管、円形導波管、及び楕円形導波管から成る群から選ばれていることを特徴とする、請求項２のマイクロ波装置。
【請求項１３】
前記アプリケータが、長手方向の軸に沿って伸長している細長い表面を有するリッジ導波管を含み、前記リッジ導波管は前記マイクロ波エネルギーを放出するために前記表面に形成された開口部を有することを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置。
【請求項１４】
前記開口部が前記表面の長手方向の範囲に沿って間隔を空けて配置された複数個の開口から成ることを特徴とする、請求項13のマイクロ波装置。
【請求項１５】
前記開口部が単一の開口から成ることを特徴とする、請求項13のマイクロ波装置。
【請求項１６】
前記単一開口が前記表面の長手方向の範囲に沿った細長くなっていることを特徴とする、請求項15のマイクロ波装置。
【請求項１７】
前記開口部が前記マイクロ波エネルギーを均一に放射するように適合されていることを特徴とする、請求項13のマイクロ波装置。
【請求項１８】
前記リッジ導波管が単一-リッジ導波管及び二重-リッジ導波管から成る群から選ばれていることを特徴とする、請求項13のマイクロ波装置。
【請求項１９】
前記アプリケータが更に、前記リッジ導波管内に配置されたある容積の誘電材料を含むことを特徴とする、請求項13のマイクロ波装置。
【請求項２０】
前記誘電材料が約2.0 に等しいかそれより大きい比誘電率を具備することを特徴とする、請求項19のマイクロ波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的大きな面積に亙って実質的に均一なプラズマを維持するための、マイクロ波エネルギー装置に関する。このマイクロ波装置は、異なるマイクロ波波長での使用に適合できるマイクロ波アプリケータを備えている。
【背景技術】
【０００２】
電子レンジの大量生産から得られた知識によって、マイクロ波エネルギー源のキロワット当たりの費用が急速に低下し、民生用及び産業用環境の両方で広範囲の新しい応用が始まった。一つの用途は、マイクロ波エネルギーをプラズマ処理工程、半導体エッチング、薄膜堆積工程、及びその他の工程で使用するプラズマを発生させ且つ維持するために、マイクロ波を利用することである。
【０００３】
従来の電子レンジは、マイクロ波エネルギーの不均一性を機械的手段を用いて平均化して食品を均一に加熱すれば十分として設計されており、且つ加熱される食品の比較的長い熱的緩和時間を利用しているので、緩和時間の短い気体を均一に励起してプラズマを発生させるのに同じ技術を使うことは出来ない。電子レンジ技術で用いられる送風機その他の機械的“マイクロ波分散装置”は、プラズマ励起に適した時間規模でマイクロ波エネルギーの均一な分散を保証することが不可能である。プラズマの均一なマイクロ波励起を達成するためには、他の手段が採用されてきた。
【０００４】
ここに開示内容を引用して取り込んだ、Ovshinsky、その他の米国特許第4,517,223 号及び第4,504,518 号は、低圧力マイクロ波グロー放電プラズマ内における小面積基板上への薄膜の堆積工程について説明している。開示された低圧力法における作動は、プラズマ内での粉体及び高分子形成を排除し、且つプラズマ堆積の最も経済的な方式を提供する。これらの特許は、マイクロ波エネルギーを用いた低圧力、且つ高エネルギー密度での（即ち、パッシェン曲線の最小値付近での）堆積について説明している。しかし、大きな面積に亙る堆積の均一性の問題に付いては、対象とされないままに残されている。
【０００５】
開示内容を引用して取り込んだ、Fournier、その他の米国特許4,729,341 号は、大電力工程において一対の放射導波管アプリケータを用いた、大面積円筒形基板上に光導電性半導体薄膜を堆積するための、低圧力マイクロ波プラズマ工程について説明している。この原理は電子写真用光受容体のような円筒形の基板に限定されるので、一般的に平板状の大面積基板には直接移行することは出来ない。
【０００６】
マイクロ波アプリケータから放射されるマイクロ波エネルギーにより高い均一性 (従って、平板状の大表面に亙たるより均一な堆積) を提供する試みとして、種々の“低速波”マイクロ波構造が提案されてきた。
【０００７】
ここに開示内容を引用して取り込んだ、Weissflochの米国特許3,814,983及び、Kieserの米国特許4,521,717 は、両者ともマイクロ波アプリケータと処理される基板との間の種々の空間的関係を提案することによって、不均一性問題に焦点を当てている。Weissflochは、基板に対してある角度傾いた低速波導波管構造を開示している。Kieserは、二つの導波管のエネルギー入力を重畳するような逆-平行配置で導波管構造を利用することを開示している。しかし、この構造はマイクロ波エネルギーのプラズマ中への非能率的結合をもたらすものである。一般的に、低速波構造はマイクロ波アプリケータからの横方向距離の関数としてマイクロ波エネルギーの急激な減衰をもたらし、マイクロ波エネルギーのプラズマ中への非能率的結合に導くものである。
【０００８】
マイクロ波及びプラズマの均一性の問題は、J.Asmussenによる“マイクロ波円盤状プラズマ源によるシリコンの低温酸化”J.Vac.Sci.Tech.B-4(1986年1-2月号)pp.295-298、及びM.DahimeneとJ.Asmussenによる“多重尖頭(MULTICUSP)静磁場中に置かれたマイクロ波イオン源の性能”J.Vac.Sci.Tech.B-4(1986年1-2月号)pp.126-130、でも扱われている。Asmussenは、マイクロ波円盤状プラズマ源 (“MPDS”) と呼ぶマイクロ波反応炉について説明している。このプラズマは円盤又は錠剤形で、マイクロ波の波長に見合った寸法を有している。プラズマの寸法は大きな径に拡大可能で、潜在的に大表面積に亙って均一なプラズマ密度をもたらす。Asmussenは、2.45ギガヘルツで作動するように設計したマイクロ波円盤状プラズマ源について説明しており、プラズマの限定直径は10センチメートルで、プラズマ体積は118立方センチメートルである。
【０００９】
鈴木、その他の米国特許4,481,229 号は、制限された表面積に亙って比較的高度の均一性を有するプラズマを得るために、電子サイクロトロン共鳴の利用について説明している。しかし、日立は大面積プラズマが達成できる方法を教授又は示唆するのに失敗している。
【００１０】
上で引用した米国特許4,517,223及び4,729,341は、非常に高いマイクロ波電力密度においては、非常に低い圧力を使用する必要性があることを説明している。低い圧力は、高い堆積速度及び／又は高い気体利用度を得るため、及びプラズマ処理工程を経済的に遂行するために必要である。しかし、高い堆積速度、高い気体利用度、高い出力密度、及び低い圧力の間の関係は、低速波構造及び電子-サイクロトロン共鳴法の実用性を制限することになる。
【００１１】
ここに開示内容を引用して取り込んだ、Doehler その他の米国特許4,893,584 号は、比較的大きな面積に亙り実質的に均一なプラズマを維持するように適合されたマイクロ波エネルギー装置を開示している。マイクロ波エネルギーが複数個の開口を通じてアプリケータから漏洩又は放射されるような、“漏洩”マイクロ波アプリケータ構造を開示している。Doehler によって開示されたマイクロ波エネルギー装置は、低速波マイクロ波構造に固有の欠点を取り除くものである。
【００１２】
薄膜堆積の目的で、出力が入力に比例する均一なマイクロ波プラズマを発生することにおいては、プラズマに結合されるマイクロ波放射の電界の強さが、基板上への薄膜の堆積速度の決定と同様にプラズマの寸法と密度の決定においても重要である。
【００１３】
プラズマ領域内での電界の強さを増大する一つの方法は、マイクロ波エネルギー源の出力性能を増大することである。使用されるマイクロ波源がマグネトロンである場合は、発生するマイクロ波エネルギーの出力はその装置の寸法に比例する。しかし、マグネトロンの寸法を増大することは、発生するマイクロ波エネルギーの波長も増大させるので、結果として装置の他の部品同様マイクロ波アプリケータの寸法も増大させることが必要となる。
【００１４】
一般的に、このような寸法変更は非常に費用が掛かる。なおその上、寸法変更は非実用的で、装置の適正な作動にも有害な影響を与える。従って、使用されるマイクロ波エネルギーの波長の変化に容易に適合できるより強固なマイクロ波アプリケータを、マイクロ波エネルギー装置に組み込むことが必要になる。
【発明の概要】
【００１５】
本発明の目的は、種々のマイクロ波周波数での使用に容易に適合できる、比較的大きな面積に亙って実質的に均一なプラズマを維持するための、マイクロ波装置を提供することである。本発明のもう一つの目的は、寸法変化を受ける必要なく種々のマイクロ波周波数で使用できる、マイクロ波アプリケータを提供することである。
【００１６】
本発明のこれら及びその他の目的は、比較的大きな面積に亙って実質的に均一なプラズマを維持するための、以下の構成より成るマイクロ波装置により満足される：プラズマをプラズマ領域内において維持するための真空容器；真空容器内の、プラズマ領域に並列に基板を支持するための手段；真空容器を望みの圧力に維持するための手段；真空容器に作用ガスを導入するための手段；遮断波長を制御するための手段を備えたすぐには凋落しないマイクロ波アプリケータ、アプリケータは少なくともその一部が真空容器内に伸長しており且つ電源からのマイクロ波エネルギーを真空容器内へ放射する；及びプラズマ領域からアプリケータを気体絶縁するための手段。
【００１７】
マイクロ波アプリケータは、長手方向の軸に沿って伸長している細長い表面を有する導波管、及び導波管内に配置されたある容積の誘電材料から成ることがある。代わりに、マイクロ波アプリケータは、長手方向の軸に沿って伸長している細長い表面を有するリッジ導波管から成ることがある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】細長い大面積間隔に亙って均一なマイクロ波プラズマを達成するように効果的に配置された、本発明のマイクロ波エネルギー装置の部品を示す図である。
【図２】間隔を空けて配置された複数個の開口を有するマイクロ波アプリケータを示す図である。
【図３】単一の細長い開口、及び閉止手段を有するマイクロ波アプリケータを示す図である。
【図４】誘電材料を含むマイクロ波アプリケータを示す図である。
【図５ａ】図５ａは、単一リッジ導波管で形成されたマイクロ波アプリケータの断面を示す図である。
【図５ｂ】図５ｂは、二重リッジ導波管で形成されたマイクロ波アプリケータの断面を示す図である。
【図５ｃ】図５ｃは、間隔を空けて配置された複数個の開口を有する、単一リッジ導波管で形成されたマイクロ波アプリケータを示す図である。
【図６】プラズマの作動が基板の上表面で行なわれるように、放射マイクロ波アプリケータに対し相対的に且つ効果的に配置された、単一の細長い基板が置かれた真空容器を示す図である。
【図７】プラズマの作動が基板の上表面で行なわれるように、マイクロ波アプリケータに対し相対的に且つ効果的に配置された、基板の連続的ウェブが置かれた真空容器を示す図である。
【図８】プラズマの作動が基板の上表面で行なわれるように、マイクロ波アプリケータに対し相対的に且つ効果的に配置された、間隔を空けて複数個の基板が置かれた真空容器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、真空排気された容器内に実質的に均一なプラズマを維持するためのマイクロ波エネルギー装置である。容器を大気圧以下の圧力に保持することによって、米国特許4,504,518の欄16、行44-52で定義された修正パッシェン曲線の最小値近くでの作動に必要な圧力に近似した圧力で 、プラズマを作動させることが可能である。低い圧力は、プラズマ励起された化学種の移動の平均自由行程を長くし、全体としてのプラズマの均一性に寄与する。この方法によって、マイクロ波エネルギー装置は、マイクロ波源の近接場距離以内に配置された基板上に均一なプラズマ反応を維持することが出来る。
【００２０】
図１は、比較的大きい面積に亙り実質的に均一なマイクロ波プラズマを維持するためのマイクロ波エネルギー装置10の断面図を示す。“大きい面積”は、ここでは少なくともマイクロ波一波長より大きく、好ましくは１２インチ以上の一次元の寸法を有する物体として定義される。装置10は、特に、壁が好ましくはステンレス鋼のような耐食性材料で形成された真空容器12を備えている。真空容器12は更に、プラズマ工程を維持するための適切な大気圧以下の圧力 (真空) に、真空容器12内部を保持するため用意した真空ポンプに適した接続のために、適合された排気口14を備えている。真空ポンプは更に、前記容器12の内部から反応生成物を除去するように適合されている。
【００２１】
容器12は更に、作用ガスを反応容器12の内部、特に真空容器12のプラズマ領域20内へ均一に分配するように配置した作用ガス導入多岐管18に連結された、少なくとも一つの作用ガス導入配管16を備えている。作用ガス導入多岐管18は少なくとも一対の作用ガス抑制手段22及び24の間に効果的に配置されている。作用ガス抑制手段22、24は真空容器12のプラズマ領域20内へ多岐管18によって導入された作用ガスを抑制する。プラズマ領域20内には一枚又は複数枚の基板を支持する手段26も存在する。示されていないが、真空容器12は更に、基板を望みの温度に保持する手段、例えば加熱手段又は冷却手段を備えることもある。
【００２２】
基板は、単一の細長い部材、複数の小さな基板、又は基板材料の連続的ウェブ(web)を、限定はされないが、包含している。プラズマ領域20は真空容器12の底部に配置されているが、マイクロ波エネルギー装置10によって維持されるプラズマの高い均一性により、プラズマ領域20は実際には真空容器12の頂部、底部、又は側面に置いてもよい。図１に破線で示したように、プラズマ領域20ａは容器12内のどこに置いてもよい。基板はマイクロ波プラズマ源から如何なる距離に置いてもよい。好ましくは、プラズマ源からプラズマ源の近接場距離を越えない距離に置かれる。これは、比較的高い気体利用率を考慮したものである。
【００２３】
マイクロ波エネルギー装置10は更に、少なくとも部分的に真空容器12の内部まで伸長しているマイクロ波アプリケータ40を備えている。マイクロ波アプリケータ40は、マグネトロンのようなマイクロ波源から伝送されるマイクロ波エネルギーを受け取る。アプリケータ40は短距離間エネルギーを伝播して、真空容器12の内部にそのエネルギーを放射する。本発明のマイクロ波アプリケータは、”非エバネッセント”波動を介してマイクロ波エネルギーを放射するので、非エバネッセントマイクロ波アプリケータである。マイクロ波エネルギーは、作用ガス多岐管18により容器12内に導入された作用ガスのプラズマを発生させ且つ保持する。
【００２４】
マイクロ波アプリケータ40はマイクロ波エネルギーの伝送経路として振舞う。
【００２５】
アプリケータには遮断波長が組み合わされており、遮断波長より長い波長のマイクロ波は伝播しない。ここに開示されたマイクロ波アプリケータは、遮断波長を制御する手段を備えている。好ましくは、遮断波長制御手段は遮断波長を少なくとも二倍にする。更に好ましくは、遮断波長制御手段は遮断波長を少なくとも三倍にする。
【００２６】
発明の一実施態様においては、マイクロ波アプリケータ40は、長手方向の軸に沿って伸長している細長い表面を有する導波管42を備えている。マイクロ波アプリケータは更に、導波管内に配置されたある容積の誘電材料を含んでいる。以下に説明するように、該容積の誘電材料はマイクロ波アプリケータの遮断波長を制御する手段として機能する。
【００２７】
図１に示した実施態様においては、導波管42は長方形導波管 (即ち、導波管42の断面形状が長方形である) である。しかし、導波管42は正方形導波管、円形導波管、又は楕円形導波管 (即ち、断面形状がそれぞれ正方形、円形、又は楕円形となる) であってもよい。その他の断面形状を有する導波管も使用できる。
【００２８】
導波管表面は、好ましくは導電性材料で形成される。このような材料の例は、限定はされないが、銀、銅、黄銅、又はアルミニウムを包含する。導波管表面は、好ましくは剛性があるものであるが、曲げたり捻ったり出来るものでもよい。
【００２９】
好ましくは、真空容器内に伸長している導波管42の最終端は、定在波を避けるように適合された開放端44である。代わりに、導波管42の最終端が封止されることもある。
【００３０】
導波管42は、導波管の内部から真空容器内へマイクロ波エネルギーを放出するための、導波管の表面に形成された開口部を備えている。好ましくは、開口部は真空容器内へマイクロ波エネルギーを均一に放射するように適合される。
【００３１】
開口部は単一開口でもよい。単一開口は、好ましくは導波管表面の長手方向範囲に沿った細長いものである。代わりに、開口部は導波管表面の長手方向範囲に沿って間隔を置いて配置された複数の開口であってもよい。長方形又は正方形導波管の場合には、開口部は導波管表面の一つの面上に配置されることがある。代わりに、開口部は導波管表面の一つ以上の面上に配置されることもある。
【００３２】
図２は、最終端部44、及び導波管表面の一つの面に形成され間隔を置いて配置された複数個の開口46、48、50、52、と54を有する導波管42を示す。一つ又はそれ以上の開口が、導波管42から放射するマイクロ波エネルギーの密度と分布を制御するために、全体的又は部分的に導波管材料によって塞がれることがある。選択的に塞ぐことによって実質的に均一なプラズマを維持する方法が提供される。図２において、開口46と48は塞がれて示されている。
【００３３】
何れかの開口からの漏洩率は、その開口の寸法に依存する。一般的に、開口の寸法はマイクロ波エネルギーの波長より大きいか小さいかの何れかである。
【００３４】
吟味したように、開口部は、導波管表面の長手方向範囲に沿った細長い単一開口であってもよい。この実施態様は図３に開口146として示されている。この実施態様において、開口146は長方形導波管142の一つの面の実質的に全長と全幅に亙って形成されている。
【００３５】
図３に示した単一開口146において、開口146から放射されるマイクロ波エネルギー濃度は、マイクロ波エネルギー源に最も近い開口の端で最大である。マイクロ波アプリケータは更に、開口部から放出されるマイクロ波エネルギーの少なくとも一部を塞ぐための閉止手段を備えることもある。この閉止手段は、実質的に均一な密度のマイクロ波エネルギーが開口部から放出されることを保証するように適合されている。
【００３６】
閉止手段の実施態様は、導波管142のマイクロ波エネルギー源に最も近い側面に、例えば溝155に通したピン153から成る単一接続152によって導波管142に固定された、細長い直線状又は僅かに湾曲した金属性マイクロ波閉止板150として、図３に示されている。単一開口146の反対側の端部に開口146の縁に沿って、例えばガラス又はテフロン（登録商標）で出来た誘電絶縁体154が配置されている。誘電絶縁体154は、導波管142とマイクロ波閉止板150の間の絶縁障壁を形成するように適合されている。マイクロ波閉止板150は導波管142と接続部152に於てのみ接地されていることが必要である。閉止板150と導波管142が更に接触すると“シズリング(sizzling)”接地、即ちアーク接触の原因となる。
【００３７】
上述したように、本発明のマイクロ波アプリケータは、好ましくはすぐには凋落しない波動を介してマイクロ波エネルギーを放射するように適合される。図２、３と４、5a、5b、及び5cに示し且つそれらとの関連で詳細に吟味したマイクロ波アプリケータの実施態様は、マイクロ波エネルギーが上述の開口部を通じて漏洩又は放射されるような、一般的に“漏洩”マイクロ波構造として知られる型のものである。代わりに、マイクロ波アプリケータは、マイクロ波エネルギーをエバネッセント波として放射するように適合されてもよい。これは“低速波”構造として知られている。この型のマイクロ波アプリケータは、Weissfloch及びKieserの特許を引用して上で吟味されている。
【００３８】
上で吟味したように、マイクロ波アプリケータは更に、導波管内に配置されたある容積の誘電材料を含んでいる。その容積はいかなる形状又は形であってもよい。該容積の誘電材料は部分的又は全体的に導波管の内部を充填することがある。更に、単一の連続した材料の容積又は複数個の分離した容積の何れであってもよい。図４は図２の長方形導波管42を示す。図４では、導波管42は全体的にある容積の誘電材料182で充填されている。
【００３９】
一般的に、誘電材料は比誘電率と誘電正接の両者によって特徴づけられる。誘電正接は、マイクロ波が誘電材料内を伝播するときに熱エネルギーとして失われる電気エネルギーの尺度である。本発明に於ては、該容積の誘電材料は約2.0に等しいかそれより大きい比誘電率を有する材料から形成されるのが好ましい。更に好ましくは、該容積の誘電材料は約2.5に等しいかそれより大きい比誘電率を有する材料から形成される。最も好ましいのは、該容積の誘電材料が約3.0に等しいかそれより大きい比誘電率を有する材料から形成されることである。一般に、適切な比誘電率を有し技術的に誘電体損の低いことが知られたいかなる誘電体でも使用することができる。好ましくは、該容積の誘電材料は約0.10に等しいかそれより小さい誘電正接を有する材料で形成される。より好ましくは、該容積の誘電材料は約0.08に等しいかそれより小さい誘電正接を有する材料で形成される。
【００４０】
該容積の誘電材料は、均一な比誘電率と均一な誘電正接を有する単一材料から形成されてもよい。代わりに、該容積の誘電材料は種々の比誘電率及び／又は種々の誘電正接を有する複数の誘電材料から形成されてもよい。使用しうる誘電材料の例は、制限はされないが、アルミナ、アルミナと二酸化珪素の混合物、二酸化チタン、イットリウム・鉄・ガーネット、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、又はポリテトラフルオロエチレンを包含する。
【００４１】
上に述べたように、該容積の誘電材料はマイクロ波アプリケータの遮断波長の制御用手段として機能する。一般に、導波管の各動作方式 (即ち、ＴＥｍ，ｎ及びＴＭｍ，ｎ) に対して、導波管の断面寸法に結びついた遮断波長が存在する。遮断波長より長い波長を有するマイクロ波は導波管内を伝播しない。例えば、長方形導波管に対するＴＥ１，０方式に対して、遮断波長は導波管断面の幅寸法の二倍に等しい。これは、波長が幅寸法の二倍より長い場合の周波数では、導波管内での伝播はありえないことを意味する。
【００４２】
導波管の遮断波長を増大する一つの方法は、導波管の断面寸法を大きくすることによるものである。遮断波長を増大するもう一つの方法は、導波管の内部に誘電材料を置くことによるものである。導波管内へ誘電材料を置くことは、遮断波長を増大する上に、完全に空気で満たされた同じ導波管内で伝播出来るよりも更に長い波長 (即ち、低い周波数) を有するマイクロ波エネルギーの伝播を可能にする。従って、導波管内に誘電材料を置くことは、導波管の物理的寸法を変えることなく、利用できるマイクロ波エネルギーの波長を増大させる。好ましくは、導波管内に置かれる該容積の誘電材料は、少なくとも遮断波長を二倍 (即ち、同じ寸法で誘電材料を具備しない導波管の遮断波長の二倍) にするように選ばれる。更に好ましくは、導波管内に置かれる該容積の誘電材料は、少なくとも遮断波長を三倍にするように選ばれる (即ち、同じ寸法で誘電材料を具備しない導波管の遮断波長の三倍) 。
【００４３】
ここに開示したマイクロ波アプリケータは、マイクロ波エネルギーの異なる波長での使用に対して、このように容易に適合できる。使用されるマイクロ波源の波長に応じて、遮断波長は適切な誘電材料を選ぶことにより調整される。従って、マイクロ波アプリケータ及び関連部品に費用の掛かる寸法変更をする必要なく、マイクロ波源の波長を変えることが出来る。
【００４４】
このような適合性は、特に使用されているマイクロ波源がマグネトロンである場合に、非常に重要である。マグネトロンの出力性能は直接その寸法に比例する。しかし、マグネトロンの寸法を増大することは、発生するマイクロ波エネルギーの波長も増大させる。それにもかかわらず、開示したマイクロ波アプリケータの適合性により、マグネトロンの寸法及び出力性能は迅速且つ容易に増大させることが出来る。
【００４５】
マイクロ波アプリケータは、マイクロ波エネルギーを伝播させる手段の一部として誘電材料を組み入れた他の型の導波管構造で形成されることもある。使用可能なマイクロ波を導びく構造のその他の型は、限定はされないが、ストリップ線路、マイクロ波ストリップ線路、スロット線路、及び共平面導波管を包含する。
【００４６】
本発明のマイクロ波アプリケータのもう一つの実施態様は、リッジ導波管である。リッジ導波管の断面図は図5a及び5bに示されている。図5aは単一リッジ導波管201の断面図を示し、図5bは二重リッジ導波管205の断面図を示す。図5a及び5bに示されているように、単一リッジ導波管201及び二重リッジ導波管205の断面形状は長方形で、広い寸法(幅)“a”及び短い寸法(高さ)“b”を有する。単一リッジ導波管201の中心断面は、幅“w”及び高さ“h”の単一リッジ203を有する。二重リッジ導波管205の中心断面は、それぞれ幅“w”及び高さ“h”のリッジ207、209を有する。何れの場合も、リッジは導波管の断面の広い寸法に沿って中央に設けられている。二重リッジ導波管205に対しては、二つのリッジ207、209の間に間隔“S”が存在する。ここで用いたように、“リッジ導波管”の呼称は単一リッジ導波管及び二重リッジ導波管の両方を含む。
【００４７】
リッジ導波管は、同じ幅と高さに対して従来の長方形導波管が有するよりも、もっと高い遮断波長を有している。更に、遮断波長をリッジの幅と高さを変えることで調整してもよい。従って、リッジはマイクロ波アプリケータの遮断波長を制御するための手段として機能する。好ましくは、リッジは遮断波長を少なくとも係数二だけ (即ち、同じ寸法“a”及び“b”を有するがリッジは持たない導波管の遮断波長の二倍) 増大するように適合される。より好ましくは、リッジは遮断波長を少なくとも係数三だけ (即ち、同じ寸法“a”及び“b”を有するがリッジは持たない導波管の遮断波長の三倍) 増大するように適合される。望ましくはリッジ導波管の内部は空気で満たされる。しかし、遮断波長の強化された制御を提供するために、ある容積の誘電材料がリッジ導波管の内部に置かれることがある。
【００４８】
リッジ導波管は更に、容器の内部にマイクロ波エネルギーを放出するために、リッジ導波管の表面に形成された、開口部を備えている。好ましくは、開口部は真空容器内にマイクロ波エネルギーを均一に放射するように適合される。
【００４９】
開口部は、導波管表面の長手方向の範囲に沿った細長い単一開口であっても良い。単一開口はリッジ導波管の一つの面の実質的に全長と全幅に亙って形成されることがある。
【００５０】
代わりに、開口部は導波管表面の長手方向の範囲に沿って間隔を置いて配置された複数の開口であってもよい。開口部はリッジ導波管表面の一つの面上、又はリッジ導波管表面の一つ以上の面上に配置されることもある。一つ又はそれ以上の開口が、リッジ導波管から放射するマイクロ波エネルギーの密度と分布を制御するために、全体的又は部分的に塞がれることがある。図5cはリッジ244を有する単一リッジ導波管240を示す。この実施態様においては、単一リッジ導波管240は、複数個の開口246、248、250、252、及び254から成る開口部を具備している。開口246及び248は、塞がれた状態で示されている。
【００５１】
この実施態様では、開口は全て導波管のリッジに対向した側面に位置づけられている。しかし、一般的には、開口は導波管の表面のどこに位置づけられてもよい。上で吟味したように、リッジ導波管の開口部から放出されるマイクロ波エネルギーの少なくとも一部分を塞ぐために、閉止手段が使われることがある。好ましくは、閉止手段はマイクロ波エネルギーを均一に放射するように適合される。
【００５２】
本発明のマイクロ波アプリケータのもう一つの実施態様は“フィン線路(finline)”導波管である。フィン線路導波管は、細溝で隔てられて導電性の薄片が堆積された電気的対称面内に、誘電体基板を備えた導波管である。
【００５３】
図１に示されているように、装置10は更に、真空容器12内でマイクロ波アプリケータ40をプラズマ領域20から絶縁するための絶縁手段60を備えている。絶縁手段60は、好ましくは、実質的にマイクロ波エネルギーに対して透明な誘電材料で作られる。その他の材料も使われることがあるが、好ましい材料は石英である。
【００５４】
絶縁手段は60は、好ましくは、圧力差の存在に起因する力に耐えられるように形作られる。更に好ましくは、絶縁手段は円筒形又は半円筒形に形作られる。円筒又は半円筒形は、円筒に本来備わっている強度によって、平板形より薄く作ってもよい。薄い円筒は、より厚い平板を必要とする圧力にも耐えることが出来る。
【００５５】
更に、絶縁手段の厚さを最少にすることは、絶縁手段に有害な影響を与えることなく高電力のマイクロ波を採用できるように、効果的な熱冷却を提供する。薄い円筒絶縁手段は、熱的劣化を防ぐために比較的低い温度に保持され且つ均一に冷却されるであろう。このようにして、負荷される電力量に実用上の限界を与えることはない。
【００５６】
マイクロ波アプリケータ40は絶縁手段60の内部に配置され、周囲の絶縁手段の壁から離して間隔を空けるべきである。マイクロ波アプリケータは、このように内部に包含されたプラズマ領域に曝されることなく、真空容器12内へ部分的に伸長するであろう。
【００５７】
図１に示される円筒形絶縁手段60は、少なくとも真空容器の一つの寸法と同一の広がりを持ち、且つ少なくとも真空容器の第一と他第二の壁を突き抜くように設計される。円筒形絶縁手段60は、真空容器12の壁を貫通して二つの環状取付け具62及び64により固定される。環状取付け具62及び64は、反応容器12のように好ましくはステンレス鋼のような適切な耐食性材料から作られ、好ましくは容器12に取り付け可能に結合される。環状取付け具62は、接続鍔68から伸長した開放端部66から成る。接続鍔68は、真空容器12の側壁に直接固定され、円筒型絶縁手段60の外周と同一の広がりを持ち且つ円筒形絶縁手段60を納めるように適合された、窓70を備えている。開放端部66は、接続鍔68から伸長し、少なくとも二個のＯ-リング72、74を納めるように適合される。Ｏ-リング72、74は、前記真空容器12の内部と外部の周囲状況の間に、真空及び水の障壁をもたらすように適合されている。Ｏ-リング72、74の間に、Ｏ-リングを均一な低温度に保持するように水などの冷却媒体を循環させる冷却水路73が配置されている。Ｏ-リング72、74は、好ましくは、真空及び水封止を実質的な高温度、即ち摂氏100度を超える温度に保持するように適合される。
【００５８】
円筒形絶縁手段60は、窓70、接続鍔68、及び開放端部66を貫通している。このようにして、Ｏ-リング72、74は、円筒形絶縁手段60の外周に強制的に押しつけられる。Ｏ-リング72、74の円筒形絶縁手段66に対する圧縮力は、対空気、対水、の気密封止をもたらす。Ｏ-リング72、74の位置が装置10のプラズマ領域20の十分外側にあるのに注目することが重要である。このことは、プラズマ領域20の外部にＯ-リングを置くことにより、マイクロ波プラズマに伴う過大な温度、即ち摂氏500度を超える温度に曝されないと言う理由で、注目に値する。前に述べた米国特許4,729,341に示したように、Ｏ-リング封止をプラズマ領域内に置くと、特別な(且つ費用の掛かる)耐高温封止が必要となり、装置10の複雑さと費用が著しく嵩むことになろう。
【００５９】
円筒形絶縁手段60は前記開放端部66の外部端面を越えて伸長することがある。
【００６０】
円筒形絶縁手段60のこの部分は従ってマイクロ波抑制手段80を備えなければならない。マイクロ波抑制手段80は、典型的には円筒形絶縁手段60の外周の周りに効果的に固定されたマイクロ波抑制金属缶から作られており、接地用指状物82により開放端部66と電気的に接触している。マイクロ波抑制缶は、開放端部66を越えて伸長している円筒形絶縁手段60と同一の広がりを持つように作られている。加えて、マイクロ波抑制手段80は更に、漂遊マイクロ波を含むように適合されたマイクロ波閉塞金属網86がその上を覆うように配置された開放端部84を備えている。網86は亦、冷却空気の流れが円筒形絶縁手段60を貫通するように適合されている。代わりに、図１に破線で描かれているように、マイクロ波抑制缶80の開放端部84は、過剰のマイクロ波放射を吸収するように適合された擬似負荷に取り付けてもよい。この実施態様は、過剰の反射マイクロ波エネルギーが、マイクロ波プラズマの均一性を低下させる反射モードを引き起こすような大電力水準に於て、特に有益である。
【００６１】
真空容器12は更に、円筒形絶縁手段60を少なくとも第二の壁部、好ましくは環状取付け具62が搭載されている壁部に対向する壁部を貫通させて支えるように適合される。環状取付け具64は、前記対向する壁部に、実質的に環状取付け具62と一直線上に、配置されている。環状取付け具64は、接続鍔92から伸長した開放端部90から成る。接続鍔92は、直接対向する壁部に固定され、円筒型絶縁手段60の外周と同一の広がりを持ち且つ絶縁手段60を納めるように適合された、窓94を備えている。開放端部90は、接続鍔92から伸長し、少なくとも二個のＯ-リング96、98を納めるように適合され、Ｏ-リングは、真空容器12内のプラズマ領域20と周囲環境条件の間に、真空及び水の障壁をもたらすように適合されている。Ｏ-リング96、98の間に、Ｏ-リングを均一な低温度に保持するように水などの冷却媒体が循環される冷却水路97が配置されている。Ｏ-リング96、98はＯ-リング72、74と同様に、高温に耐えるように適合される。円筒形絶縁手段60は、窓94、接続鍔92、及び開放端部90を貫通していて、Ｏ-リング96、98は、前記円筒形絶縁手段60の外周縁部に強制的に押しつけられる。前記Ｏ-リングの圧縮力が、空気気密、水気密封止が達成される機構である。亦、Ｏ-リング96、98は、Ｏ-リング72、74と同様プラズマ領域20の十分外部にあるので、劣化を受けない。
【００６２】
円筒形絶縁手段60の外周の周りに空気気密、水気密封止を達成することによって、円筒形絶縁手段60の内部は大気圧に保持され且つ直接周囲条件に曝されているのに、プラズマ領域20を実質的に大気圧以下の圧力に保持することが出来る。
【００６３】
これは実際の装置10の作動に於て好都合なことである。真空容器を大気圧以下の圧力に保持することによって、修正パッシェン曲線の最小値近くでの作動に必要な圧力近傍において装置10を作動させることが可能である。加えて、低い圧力はプラズマ種の移動のより長い平均自由行程を与え、全体としてのプラズマの均一性に寄与する。円筒形絶縁手段60の内部は周囲条件に曝されるので、マイクロ波プラズマに伴うことのある過剰な加熱を防ぐように、冷却空気の流れをそこに保持するとよい。代わりに、均一で冷たい温度を保持するために、マイクロ波を伝達できるシリコン・オイルのような冷却媒体が円筒内に循環されることがある。開放端部90を越えて伸長している円筒形絶縁手段60は、上で吟味した型の金属マイクロ波抑制手段100の中に納めなければならない。マイクロ波抑制手段100は、マイクロ波アプリケータ40とマイクロ波エネルギー源との間の接続に影響する接続板102に近接して配置される。
【００６４】
上で説明したように、且つ図１に描かれているように、装置10はプラズマ領域20を限定し、領域内にはマイクロ波アプリケータ40の近接場距離により定義される距離を越えない距離に基板28が配置される。第一の実施例に於て、同じ参照番号が同じ構造物を意味する図６に描かれているように、前記プラズマ領域内に配置された基板28は、単一の細長い平板状又は僅かに湾曲した基板部材の形を取ることがある。前記平板状基板部材28は、プロセス・ガス抑制手段22、24の間で且つマイクロ波アプリケータの近接場距離以内に効果的に配置される。
【００６５】
もう一つの図７に描かれている実施態様においては、基板部材28は細長い実質的に連続した一枚の基板材料30の形を取ることがある。一枚の連続した基板の場合、装置10は基板材料の連続的進行をさせるように修正される。必要な修正は、真空を保持し且つプロセス・ガスとマイクロ波プラズマの両方を保有しつつ、基板部材の真空容器12への自由な出入りをさせるように適合された出入り口手段32を含むであろう。真空容器12内に反応ガスとマイクロ波プラズマを保有するための好ましい出入り口手段32は、ここに引用して取り込んだCannella、その他の米国特許4,438,723に開示されている。更にもう一つの実施態様においては、図８に描かれているように、基板は、基板支持手段26によりプラズマ領域20内に支持され、且つプラズマ操作がその上面になされるように効果的に配置された、複数個の個別の工作物からなる。
【００６６】
上で吟味したように、各実施態様はマイクロ波アプリケータの下部に配置された基板部材28を使って説明されているが、プラズマの実質的に均一な性質によって、プラズマ領域はマイクロ波アプリケータの近接場距離以内のどこにでも配置してよい。ガス導入多岐管18は、金属材料、半導体材料、及び誘電材料のようなプロセス材料をプラズマ領域内の基板上に供給する。更にもう一つの実施態様においては、プラズマ領域内に導入された前駆体ガスが分解して、基板上に透明で固い薄膜を堆積する。もう一つの実施例においては、少なくとも一種の食刻用前駆体ガスがプラズマ領域20に導入され、そこに置かれた基板の表面を食刻するように、装置10が適合されている。
【００６７】
本発明は好ましい実施態様及び手順との関連において説明してきたが、説明した実施態様及び手順に本発明を限定することは意図されていないことを理解すべきである。反対に、添付した特許請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲内に包含される、全ての代用物、変更態様、及び等価物を網羅することが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年10月14日(2009.10.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成より成ることを特徴とする、所定の面積に亙って実質的に均一なプラズマを維持するための、マイクロ波装置：
前記プラズマをプラズマ領域内において維持するための真空容器；
前記真空容器内の、前記プラズマ領域に並列に基板を支持するための手段；
前記真空容器を望みの圧力に維持するための手段；
前記真空容器に作用ガスを導入するための手段；
少なくともその一部が前記真空容器内に伸長した非エバネッセントマイクロ波アプリケータであって、前記アプリケータは前記アプリケータに沿って配置された開口部と遮断波長を増加するために前記アプリケータ内に配置されたある容積の固体及び／又は液体の誘電材料とを有し、前記アプリケータはマイクロ波エネルギーをエネルギー源から前記アプリケータ内に、前記開口部を介して、前記真空容器内に、前記アプリケータの長手方向に沿って均一に漏洩して遮断周波数より低い周波数の範囲の非エバネッセントマイクロ波エネルギーから前記均一なプラズマを維持する、非エバネッセントマイクロ波アプリケータ；及び
前記プラズマ領域から前記アプリケータを気体絶縁するための手段。
【請求項２】
前記アプリケータが、以下の構成より成ることを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置：
さらに閉止手段を含み、
前記開口部は単一の細長くなった開口部であり、前記閉止手段は前記開口部の一部を塞ぐように前記細長くなった開口部の上に配置され、細長い先細の開口部を形成し、前記マイクロ波エネルギーが前記細長い先細の開口部を介して前記真空容器内に、前記アプリケータの長手方向に沿って均一に漏洩して遮断周波数より低い周波数の範囲のマイクロ波エネルギーから前記均一なプラズマを維持する。
【請求項３】
前記誘電材料が約2.0に等しいかそれより大きい誘電率を具備することを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置。
【請求項４】
前記誘電材料が約3.0に等しいかそれより大きい誘電率を具備することを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置。
【請求項５】
前記誘電材料が約0.10に等しいかそれより小さい誘電正接を具備することを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置。
【請求項６】
前記誘電材料がアルミナ、アルミナと二酸化珪素の混合物、二酸化チタン、イットリウム・鉄・ガーネット、及びポリ・テトラフルオロ・エチレンから成る群から選ばれていることを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置。
【請求項７】
前記開口部が前記表面の長手方向の範囲に沿って間隔を空けて配置された複数個の開口部から成ることを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置。
【請求項８】
前記アプリケータが長手方向の軸に沿って伸長している細長い表面を有する導波管を有し、前記導波管は前記マイクロ波エネルギーを放出するために前記表面に形成された開口部を有し、マイクロ波エネルギーを前記開口部を介して前記真空容器内に、前記アプリケータの長手方向に沿って均一に放出して遮断周波数より低い周波数の範囲の非エバネッセントマイクロ波エネルギーから前記均一なプラズマを維持することを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置。
【請求項９】
前記導波管が長方形導波管、正方形導波管、円形導波管、及び楕円形導波管から成る群から選ばれていることを特徴とする、請求項８のマイクロ波装置。
【請求項１０】
前記アプリケータが、長手方向の軸に沿って伸長している細長い表面を有するリッジ導波管を含み、前記リッジ導波管は前記マイクロ波エネルギーを放出するために前記表面に形成された開口部を有し、マイクロ波エネルギーを前記開口部を介して前記真空容器内に、前記アプリケータの長手方向に沿って均一に放出して遮断周波数より低い周波数の範囲の非エバネッセントマイクロ波エネルギーから前記均一なプラズマを維持することを特徴とする、請求項１のマイクロ波装置。
【請求項１１】
前記開口部が前記表面の長手方向の範囲に沿って間隔を空けて配置された複数個の開口から成ることを特徴とする、請求項１０のマイクロ波装置。
【請求項１２】
さらに閉止手段を含み、前記開口部は単一の細長くなった開口部であり、前記閉止手段は前記開口部の一部を塞ぐように前記細長くなった開口部の上に配置され、細長い先細の開口部を形成し、前記マイクロ波エネルギーが前記細長い先細の開口部を介して前記真空容器内に、前記アプリケータの長手方向に沿って均一に漏洩して遮断周波数より低い周波数の範囲のマイクロ波エネルギーから前記均一なプラズマを維持することを特徴とする、請求項１０のマイクロ波装置。
【請求項１３】
前記開口部が前記表面の長手方向の範囲に沿って間隔を空けて配置された複数個の開口部から成ることを特徴とする、請求項１０のマイクロ波装置。
【請求項１４】
前記リッジ導波管が単一-リッジ導波管及び二重-リッジ導波管から成る群から選ばれていることを特徴とする、請求項１０のマイクロ波装置。
【請求項１５】
前記アプリケータが更に、前記リッジ導波管内に配置されたある容積の誘電材料を含むことを特徴とする、請求項１０のマイクロ波装置。
【請求項１６】
前記誘電材料が約2.0に等しいかそれより大きい比誘電率を具備することを特徴とする、請求項１５のマイクロ波装置。
【外国語明細書】
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