(57)【要約】【課題】  プラズマの大型化や径方向のプラズマ密度分布を制御できるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を提供する。【解決手段】  高周波プラズマ１０となるガスを導入する反応室１と、反応室１の外部に設けられ磁場を印加する磁石３と、反応室１の端部に設けるプラズマ発生用アンテナ４と、アンテナ４へ高周波電力を印加する高周波発振器５と、磁石により反応室１内に形成される磁場が、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れかまたは該磁場の何れか二種以上の組み合わせから成り、アンテナ４がタップ付きスパイラルアンテナである。大容積でプラズマ密度が高く、径方向１プラズマ密度分布が均一で、かつ、制御可能なタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を提供できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波プラズマとなるガスが導入される反応室と、該反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、上記反応室の端部に設けられるプラズマ発生用アンテナと、該アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成る高周波プラズマ装置であって、
上記磁石により上記反応室内に形成される磁場が、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れかまたは該磁場の何れか二種以上の組み合わせから成り、
また、上記アンテナがタップ付きアンテナであることを特徴とする、タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項２】
前記磁場が、電磁石、永久磁石の何れかまたはこれらの組み合わせにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項３】
前記タップ付きアンテナのタップは、摺動可能にその位置を調整できることを特徴とする、請求項１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項４】
前記高周波プラズマが誘導性結合プラズマであることを特徴とする、請求項１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項５】
前記高周波プラズマがヘリコン波プラズマであることを特徴とする、請求項１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項６】
前記タップ付きアンテナがタップ付きスパイラルアンテナであることを特徴とする、請求項１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項７】
前記高周波発振器と前記タップ付きアンテナとの間に整合器が配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項８】
前記整合器が、スプリットタンク回路またはπマッチ回路であることを特徴とする、請求項７に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項９】
前記高周波電力の周波数ｆは、タップ付きアンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、前記反応室の中央部に印加される磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２に対して、ｆ＜ｆ１及びｆ２であり、かつ、前記プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１０】
前記タップ付きアンテナ近傍に電子発生手段を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１１】
高周波プラズマとなるガスが導入される反応室と、該反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、上記反応室の端部に設けられるプラズマ発生用のアンテナと、該アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成る高周波プラズマ装置であって、
上記磁石により上記反応室内に形成される磁場が、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかまたは該磁場の何れか二種以上の組み合わせから成り、
上記アンテナがタップ付きアンテナで成っており、さらに、
上記反応室内に基板が載置されるステージを備えることを特徴とする、タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１２】
前記磁場が、複数の電磁石、永久磁石の何れかまたはこれらの組み合わせにより形成されることを特徴とする、請求項１１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１３】
前記タップ付きアンテナのタップは、摺動可能にその位置を調整できることを特徴とする、請求項１１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１４】
前記高周波プラズマが誘導性結合プラズマであることを特徴とする、請求項１１記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１５】
前記高周波プラズマがヘリコン波プラズマであることを特徴とする、請求項１１記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１６】
前記タップ付きアンテナがスパイラルアンテナであることを特徴とする、請求項１１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１７】
前記高周波発振器と前記タップ付きアンテナとの間に整合器が配設されていることを特徴とする、請求項１０に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１８】
前記整合器が、スプリットタンク回路またはπマッチ回路であることを特徴とする、請求項１７に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項１９】
前記高周波電力の周波数ｆは、タップ付きアンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、前記反応室の中央部に印加される磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２に対して、ｆ＜ｆ１及びｆ２であり、かつ、前記プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも大きいことを特徴とする、請求項１１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項２０】
前記ステージが接地されていることを特徴とする、請求項１１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項２１】
前記ステージにバイアス用高周波発振器が接続され前記基板のバイアスが制御されることを特徴とする、請求項１１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【請求項２２】
前記タップ付きアンテナ近傍に電子発生手段を備えたことを特徴とする、請求項１１に記載のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜の堆積、エッチング、プラズマ・インプランテーション等のプラズマ応用プロセスや宇宙推進用のプラズマ発生装置に用いられるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波を用いたプラズマ生成には、容量性結合型プラズマ、誘導性結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ、以下、ＩＣＰと称する場合もある。）、ヘリコン波プラズマなどがある。
図２７は、薄膜の堆積やエッチングに使用されている容量性結合型プラズマ発生装置７０を模式的に示す図である。反応性ガスが封入されているチャンバ７１に、２枚の平行平板電極である高周波印加電極７２と接地電極７３が配設されていて、高周波発振器７４が印加されてプラズマ７５が発生する。高周波発振器７４の一端は、整合器７６と直流阻止コンデンサ７７を介して高周波印加電極７２に接続され、他端は接地電極７３に接続されるとともに接地されている。プラズマ７５を誘電体とみなすと、平行平板電極７２，７３がコンデンサの形状であることから容量性結合型プラズマと呼ばれる。このプラズマは、平行平板電極に形成される電界による放電によって生じる。典型的放電状態は、ガス圧力が１０〜１０００Ｐａ、電極間隔が１〜１０ｃｍ、高周波電力が１００〜１０００Ｗ程度であり、プラズマ密度は、１×１０16ｍ-3（１×１０10ｃｍ-3）程度である（非特許文献１参照）。
【０００３】
プラズマの高密度化のために、近年、半導体の加工装置として誘導性結合型プラズマ（ＩＣＰ）が使用されている。図２８は、プラズマ処理装置に使用されている誘導性結合型プラズマ発生装置８０を模式的に示す図である。半球状の石英容器を備えた反応室８１の外周に沿って上部から下部に向かって形成される巻線状のヘリカルアンテナコイル８２に高周波発振器８３から高周波電力が印加されると、プラズマが生成する。高周波発振器８３の一端は、整合器８４を介してヘリカルアンテナコイル上部８２ａに接続され、他端はヘリカルアンテナコイル下部８２ｂと接続されて接地されている。反応室８１は真空排気口８５を介して排気系８６により真空排気される。ガスは、ガス導入系８７からガス導入口８８を介して反応室８１上部のシャワーヘッドに導入される。反応室８１内の下部には、ウェハ９０を載置するためのステージ９１が設置されていて、このステージ９１は接地されている。
誘導性結合型プラズマ装置８０は、アンテナ電流が作る磁界により放電する。つまり、ファラデーの電磁誘導の法則により磁界の時間変化が電界を誘導し、この電界で電子が加速してプラズマ放電が維持される。ここで、磁界形放電のためのアンテナとしては、円筒形状のヘリカルアンテナ以外には、渦巻形状のスパイラルアンテナも使用されている。誘導性結合型プラズマ装置で得られるプラズマは、プラズマ密度として１０17〜１０18ｍ-3、電子温度２〜４ｅＶ、直径３０ｃｍ程度である。広い圧力範囲（１〜４０Ｐａ）で容易に、大口径で高密度のプラズマが得られる（非特許文献１及び特許文献１参照）。
【０００４】
また、最近、プラズマの高密度化のために、磁場中において電子サイクロトロン周波数より十分低い高周波電流をアンテナに流すと、電子が主役となってプラズマ中を伝わる右回り円偏波などにより低圧力でも高密度のプラズマを生成することができ、ヘリコン波プラズマと呼ばれている。
図２９は、ヘリコン波プラズマ装置の一例を模式的に示す図である。ヘリコン波プラズマ装置１００は、石英管１０１を備えた反応室１０２と、ヘリコン波励起用高周波発振器１０３と、サドルアンテナ１０４と、電磁石１０５と、永久磁石１０６と、基板１０７を載置するステージ１０８と、基板バイアス用高周波発振器１０９とから構成されている。電磁石１０５と永久磁石１０６により形成される磁界をＢで示している。石英管１０１に巻かれたサドルアンテナ１０４に高周波発振器からの高周波電力が印加されると、磁場が励起されヘリコン波プラズマ１１０が励起される。ここで、高周波電力は、プラズマ１１０中の波のエネルギーになり、この波の電界により個々の電子が加速や減衰を受けて、最終的に電子の運動エネルギーが増大してプラズマ１１０が維持される。
ヘリコン波プラズマ装置１００で得られるプラズマは、石英管１０１の直径が１０ｃｍ、ヘリコン波励起用電磁石による磁界が０．０１Ｔ（テスラ）、即ち、１００Ｇ（ガウス）、ヘリコン波励起用高周波発振器１０３として１３．５６ＭＨｚ，１ｋＷを使用し、１〜５Ｐａの圧力において１０18〜１０19ｍ-3のプラズマ密度が得られる（非特許文献１参照）。
【０００５】
ヘリコン波または磁場存在下でのＩＣＰは、容量性結合型プラズマに比較して高密度のプラズマが得られるが、従来のヘリコン波プラズマは、小半径の石英管などの絶縁容器の外側に巻く形の小口径プラズマが主流であり、大面積、大容量のプラズマが得られないという欠点があった。
【０００６】
最近、本発明者らにより、誘導性結合型プラズマでも一部用いられているスパイラル型のアンテナを容器端に設置するＩＣＰ及びヘリコン波による高周波プラズマ装置が報告されている。直径が約４５ｃｍで、長さが１７０ｃｍの円筒状反応室において、Ａｒ（アルゴン）ガス（８．５ｍＴｏｒｒ）のヘリコン波プラズマが得られている。この高周波プラズマの体積は、他所から報告されている高周波プラズマよりも数倍以上大きい約０．２７ｍ3 である。このときの高周波発振器の周波数が７ＭＨｚ、１００Ｗ〜２ｋＷの出力電力で、プラズマ密度として１×１０10〜１×１０13ｃｍ-3という値が得られている（例えば、非特許文献２、３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−３０２６９４号（図１、図３）
【非特許文献１】菅井  秀郎編集、大江一幸著、「プラズマエレクトロニクス」、株式会社オーム社、平成１２年８月２５日（２０００年）発行、第６章
【非特許文献２】S. Shinohara, S. Takechi and Y. Kawai, "Effects of the    Axial Magnetic Field and Faraday Shield on the Characteristics of RF Produced   Plasma Using a Spiral Antenna", Jpn. J. Appl. Phys., 1996, Vol.35 Pt.1, No.8,   pp. 4503-4508
【非特許文献３】篠原俊二郎、「ヘリコン波による高密度プラズマ生成の最近の話題」、プラズマ・核融合学会誌、２００２年１月、Vol.78, No.1, pp.5-18
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の誘導性結合プラズマ装置やヘリコン波プラズマ装置などの高周波プラズマ装置においては、プラズマを大型化しようとする場合には、例えば、プラズマの軸方向のプラズマ密度分布を平坦・均一にするために、ヘリカルアンテナ部に印加する磁界と、プラズマ容器内の磁界をどのように印加したらよいか、最適な磁場配位が明らかになっていないという課題がある。
【０００９】
また、半導体装置や液晶表示装置の製造にＩＣＰやヘリコン波プラズマを応用する場合にはプラズマの高密度化と共に、基板が載置される面内での均一性が要求される。しかしながら、基板が載置されるプラズマ容器内の軸方向に対して垂直な面内（以下、径方向と呼ぶ）である径方向プラズマ密度分布は、その制御方法が明確になっていないという課題がある。
【００１０】
また、高周波プラズマを励起するスパイラルアンテナなどを大型化すると、アンテナインピーダンスの実部が非常に低抵抗であるのに対して、その虚部のインダクタンス分が大きくなるため、給電電圧が上昇することや、特に高い周波数領域でインピーダンス整合が取りにくくなるという課題がある。
【００１１】
このように、ＩＣＰやヘリコン波プラズマを用いた高周波プラズマ装置においては、プラズマの大型化や径方向のプラズマ密度分布を考慮した高周波プラズマ装置は知られていない。
【００１２】
本発明は上記課題に鑑み、プラズマの大型化や径方向のプラズマ密度分布を制御できるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置は、高周波プラズマとなるガスが導入される反応室と、反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、反応室の端部に設けられるプラズマ発生用のアンテナと、アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成り、上記磁石により上記反応室内に形成される磁場が、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れかまたは該磁場の何れか二種以上の組み合わせから成っていて、また、上記アンテナがタップ付きアンテナであることを特徴とする。
上記磁場は、好ましくは、電磁石、永久磁石の何れかまたはこれらの組み合わせにより形成される。
また、上記タップ付きアンテナのタップは、好ましくは、摺動可能にその位置を調整できる。上記高周波プラズマは、好ましくは、ＩＣＰ又はヘリコン波プラズマである。
この構成によれば、磁場が一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れかまたは組み合わせにより形成され、タップ付きアンテナによりプラズマ励起されて、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向分布のプラズマ密度分布を均一性よく制御できる高周波プラズマを発生することができる。
【００１４】
上記プラズマ発生用のタップ付きアンテナは、好ましくは、タップ付きスパイラルアンテナである。上記高周波発振器と前記アンテナとの間には、好ましくは整合器が配設されている。この整合器は、好ましくは、スプリットタンク回路またはπマッチ回路である。  この構成によれば、タップ付きアンテナから反応室のガスへ高周波電力を効率よく励起できるので、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向分布のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができる。
【００１５】
また、上記高周波電力の周波数ｆは、好ましくは、タップ付きアンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、反応室の中央部に印加される磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２に対して、ｆ＜ｆ１及びｆ２であり、かつ、前記プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも大きい。高周波発振器の周波数をこのように選定すれば、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向分布のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができる。  
【００１６】
また、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置は、高周波プラズマとなるガスが導入される反応室と、反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、反応室の端部に設けられるプラズマ発生用アンテナと、アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成り、上記磁石により上記反応室内に形成される磁場が、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れかまたは該磁場の何れか二種以上の組み合わせから成るとともに、上記アンテナがタップ付きアンテナで成っており、さらに、上記反応室内に基板が載置されるステージを備えることを特徴とする。
上記磁場は、好ましくは、電磁石、永久磁石の何れかまたはこれらの組み合わせにより形成される。また、上記タップ付きアンテナのタップは、摺動可能にその位置を調整することができる。上記高周波プラズマは、好ましくは、ＩＣＰ又はヘリコン波プラズマである。
この構成によれば、反応室に形成される磁場が一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れか又は該磁場の何れか二種以上の組み合わせから成り、タップ付きアンテナから反応室のガスへ高周波電力を効率よく励起できるので、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向分布のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができる。
【００１７】
上記プラズマ発生用のタップ付きアンテナは、好ましくはタップ付きスパイラルアンテナである。また、上記高周波発振器と前記アンテナとの間には整合器が配設されている。この整合器は、好ましくは、スプリットタンク回路またはπマッチ回路である。この構成によれば、タップ付きアンテナから反応室のガスへ高周波電力を効率よく励起できるので、大きな容積をもち且つ径方向分布のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができ、この高周波プラズマを用いて、基板を高精度でプラズマ処理することができる。
【００１８】
また、上記高周波電力の周波数ｆは、好ましくは、タップ付きアンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、反応室の中央部に印加される磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２に対して、ｆ＜ｆ１及びｆ２であり、かつ、プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも大きい。高周波発振器の周波数をこのように選定すれば、大きな容積をもち且つ径方向分布のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生でき、この高周波プラズマを用いて、基板を高精度でプラズマ処理することができる。
【００１９】
好ましくは、上記ステージにバイアス用高周波発振器が接続され、基板のバイアスが制御できる。これにより基板の自己バイアス電位を制御できるので、基板を高精度でプラズマ処理できるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を提供できる。
【００２０】
また、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置は、タップ付きアンテナ近傍に電子発生手段を備えていてもよい。これにより、低圧力において大きな容積をもち且つ径方向分布のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置において外部から印加する磁場配位を制御し、かつタップ付きアンテナのタップを選定することにより、発生する高周波プラズマの容積が大きく、径方向のプラズマ密度分布を制御できる優れたタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を提供することができる。
また、プラズマを生成する高周波発振器の出力が低くても、プラズマ密度が高く、かつプラズマ密度分布を制御できる優れた高周波プラズマが得られるので、高周波プラズマ装置を低コストで提供することができる。
したがって、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を現状の各種プラズマ装置に適用すれば低コストの高周波プラズマ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、この発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明によるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０の第１の実施の形態の構成を模式的に示す図である。タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０は、所定の圧力の気体が導入されてプラズマを発生させる反応室１と、この反応管１の図１において左端の所定位置に配置された石英などの窓２と、反応室１の外部に配設される磁石３と、窓部に接して配設されるプラズマ発生用のタップ付きアンテナ４と、このタップ付きアンテナ４へ高周波電力を供給する高周波発振器５とから構成される。図中の１０は、発生したＩＣＰやヘリコン波プラズマによる高周波プラズマを示している。
【００２３】
反応室１の左右端部には、それぞれ、放電用ガス導入装置７と真空排気装置８が設けられている。プラズマの放電用ガス導入装置７は、放電用ガスボンベ、ガス流量を調節するためのマスフローコントーラや、圧力測定のための圧力計などから構成されている。真空排気装置８は、開閉用のバルブ、油回転ポンプ、ターボ分子ポンプなどから構成される真空ポンプ、真空計などから構成され、放電用ガスを導入する前に反応室１を真空排気する。放電用ガスを導入した後の放電用ガスの導入圧力制御にも真空排気装置８を使用してよい。
【００２４】
磁石３は、例えば電磁石や永久磁石からなっている。磁場を最適化するために、磁石３は、例えば主磁石３ａと副磁石３ｂとの複数の磁石から構成されることが好ましい。磁石が例えば電磁石の場合には、主磁石３ａと副磁石３ｂの巻線が同一方向として、反応室１の周囲を巻回する。電磁石３は直流電源により励磁され、後述する磁場分布（磁場配位）を反応室１に印加する。
【００２５】
タップ付きアンテナ４は、一例としてタップ付きスパイラルアンテナなどを用いることができる。以下、タップ付きスパイラルアンテナを例にとって説明する。
タップ付きスパイラルアンテナ４は、基本的に磁場に沿った端に配設する。即ち、アンテナ面に対して法線方向が磁力線（図１のＺ方向参照）と平行になるようにすればよい。タップ付きスパイラルアンテナ４は、図示するように反応室１の外に石英板などの窓２を介して置くか、反応室１の左端に置いてもよい。この場合には、タップ付きスパイラルアンテナの電界成分が生じないようにタップ付きスパイラルアンテナ４の周囲に絶縁物を設けるか、ファラディーシールドを設置するのが望ましい。このようなタップ付きスパイラルアンテナ４は、整合器６を介して高周波発振器５と接続されている。
ここで、タップ付きスパイラルアンテナ４は、平面状にスパイラル状に丸型や矩形型に巻けばよい。千鳥型や梯子型でもよい。タップ付きスパイラルアンテナの外径サイズは、プラズマサイズと印加磁場配位に応じて設計すればよい。タップ付きスパイラルアンテナ４は、例えば銅管などで作製される。図示しないがタップ付きスパイラルアンテナ４が銅管で構成されている場合には、管内部に冷却水を循環させて冷却することが好ましい。タップ付きスパイラルアンテナ４と兼用の冷却パイプに接続した絶縁体の冷却パイプは長くして、アンテナの高周波による高電圧の影響を給水点に与えないようにする必要がある。タップ付きスパイラルアンテナ４や整合器６内にこの絶縁体パイプを数周、例えば１０ｍ程度巻けばよい。
【００２６】
本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０を構成する磁石３，高周波発振器５，ガス導入装置７，真空排気装置８などは、制御装置９によりそれらの動作が制御されてもよい。制御装置９は、例えばパーソナルコンピュータにより構成され、反応室１に設けられる真空計、プラズマの各パラメータを検出する探針である、所謂ラングミュアプローブ、磁界センサなどからの信号が入力されて、上記構成要素を制御することができる。
【００２７】
本発明の特徴は、高周波プラズマ装置において、容積の大きいプラズマを得るために、効率のよい磁場配位と径方向のプラズマ密度分布を制御できるようにタップ付きスパイラルアンテナを使用することにあり、以下詳しく説明する。
従来、効率のよい磁場配位は知られておらず、本発明者らが、高周波プラズマ装置における各種磁場配位とアンテナにつき種々検討し、プラズマの解析を行うことにより見出したものである。
図２は、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いる電磁石により反応室に生じる磁束密度分布の一例を示す図である。図２において、横軸が円筒形反応室の中心軸に於けるＺ軸方向の距離、縦軸が磁束密度を示している。図１に示すＸＹＺ座標において、横軸のＺ＝０が図１の反応室の左端のスパイラルアンテナの設置場所であり、Ｚ＝Ｌが反応室の右端部を示している。
本発明の高周波プラズマ装置における磁束密度分布は、Ｚ＝０からＺ＝Ｌ１まではＢ１からＢ２まで徐々に磁束密度が増加し、軸方向の中心部（Ｌ１〜Ｌ２）がほぼ平坦で値がＢ２の磁束密度を有し、Ｚ＝Ｌ２からＺ＝ＬまではＢ２からＢ３まで徐々に磁束密度が減少し、Ｚ＝ＬでＢ３の磁束密度である。
【００２８】
図２に示す磁束密度分布は、反応室１左端のタップ付きスパイラルアンテナ４から見ると、Ｚ＝０〜Ｚ＝Ｌ１までが発散磁場、Ｚ＝Ｌ１〜Ｚ＝Ｌ２までが一様磁場、Ｚ＝Ｌ２〜Ｚ＝Ｌまでが収束磁場の組み合わせともいえる。このような磁場は、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかにより形成することができる。また、この磁場は、例えば、スパイラルアンテナ４近傍を発散磁場又は収束磁場として、他の部分を一様磁場として形成してもよい。従って、磁場は、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場の何れか二種以上の組み合わせから形成してもよい。
【００２９】
図３はＺ方向の磁場を模式的に説明する図であり、それぞれ、（ａ）一様磁場、（ｂ）発散磁場、（ｃ）収束磁場、（ｄ）カスプ磁場である。図示するように、一様磁場はＺ方向の磁場が同じである。発散磁場は、Ｚ方向の磁場が増大し、収束磁場はＺ方向の磁場が減少する。また、カスプ磁場は、発散磁場と収束磁場の組合わせであり、スパラルアンテナ４の近傍に極大値を有している磁場である。
磁石３が電磁石の場合、主電磁石３ａと副電磁石３ｂの巻線数、巻線間隔、通電する直流電流の大きさを変えるなどにより、所望の磁場配位が得られるようにできる。所望の磁場配位を得るには、永久磁石による主磁石３ａと副磁石３ｂの極性を変えた場合、または、主電磁石３ａと副電磁石３ｂの方向が同じ場合で印加する直流電流の向きを互いに反対方向にした場合に生じるカスプ磁界を利用してもよい。
【００３０】
次に、磁場強度及び高周波発振器の周波数ｆの選定について説明する。
本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置における磁場の強度は、一例として、イオンサイクロトロン周波数より十分大きく、電子サイクロトロン周波数より十分小さい領域の高周波の周波数となるように選択する。すなわち、図２の磁場分布を例にすると、高周波電力の周波数ｆは、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、反応室１の中央部に印加される磁場Ｂ２により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２に対して、ｆをｆ１とｆ２よりも低くし（ｆ＜ｆ１，ｆ２）、かつ、プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも高くなるようにする。具体例としては、高周波発振器５の周波数はイオンサイクロトロン周波数の１０倍以上で、かつ、電子サイクロトロン周波数ｆ１及びｆ２よりも１／１０以下とすることが必要である。
【００３１】
一方、印加する磁束密度Ｂ（ガウス）と電子サイクロトロン周波数ｆc （ＭＨｚ）は、ｆc ＝２．８０×Ｂの関係がある。
一例として図２の磁場分布において、高周波発振器５の周波数ｆは、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍の磁場Ｂ１及び平坦部分の磁場Ｂ２で決まる電子サイクロトロン周波数よりも十分に低い値とすることにより、ＩＣＰやヘリコン波プラズマなどの高周波プラズマを効率よく励起することができる。
ここで、例えばＢ１を３０、６０ガウスとした場合のｆc は、それぞれ、８４ＭＨｚ、１６８ＭＨｚとなるので、効率良くプラズマを励起させるためには、高周波発振器のｆはこれらのｆc の約１／１０の値である１０ＭＨｚ以下とすることが望ましい。また、高周波発振器５の周波数ｆを例えば１０ＭＨｚとした場合には、スパイラルアンテナ近傍の磁場Ｂ１は、少なくとも電子サイクロトロン周波数が１００ＭＨｚ以上となる磁場を印加することが望ましいことになる。この際、平坦部のＢ２を１００，１５０，２００ガウスとした場合のｆc は、それぞれ、２８０ＭＨｚ，４２０ＭＨｚ，５６０ＭＨｚとなるので、上記の高周波発振器５のｆが、例えば約１０ＭＨｚでは、ｆ≪ｆc となり、ヘリコン波プラズマを効率よく励起することができる。
【００３２】
次に、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置において、容積の大きい高周波プラズマを得るためにタップ付きスパイラルアンテナのインダクタンスを減少させる方法について説明する。
図４はタップ付きスパイラルアンテナ４の形状を示す図である。図４（ａ）の平面図に示すように、４巻のタップ付きスパイラルアンテナ４の端部４ａと４ｂに整合回路を介して高周波発振器５を接続する。さらに、タップ付きスパイラルアンテナのタップ４ｃが半巻毎に設置されている。このタップ４ｃは、端子つきの薄い銅板などで構成することができる。このタップ４ｃは、固定位置に配置するほかに、摺動可能に取り付けることにより任意の巻数の位置に調整できる。
【００３３】
このように、タップ付きスパイラルアンテナ４においては、任意の位置で給電が可能となる。例えばフルターンや内側のみ、外側のみ、中間のみ、外側と内側を結線して給電することができる。また、それらをシリーズまたはパラレルに結線することが可能である。これにより、プラズマとのカップリング、インダクタンス、径方向密度分布が制御できるので、タップ付きアンテナ４から反応室１のガスへ高周波電力を効率よく励起できる。
【００３４】
この際、タップ付きスパイラルアンテナ４のインピーダンスは、実数部は低抵抗であるのに対して、虚数部はタップ付きスパイラルアンテナ４の巻線によるインダクタンス成分となり高周波発振器５の周波数をｆとしたときに２πｆＬの大きさを有する。タップ付きスパイラルアンテナ４のインピーダンスはインダクタンス成分が小さいほど、後述する高周波発振器とのインピーダンス整合が容易となるが、上記のように反応室１の直径を大きくするとタップ付きスパイラルアンテナ４のインダクタンスが大きくなり、プラズマへ十分な高周波電力を供給できなくなる。
【００３５】
図１に示すように、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いるタップ付きスパイラルアンテナは、円筒状の反応室１の左端部の窓２の部分に結合している。高周波プラズマの容積を大きくするには、反応室の軸方向を長くする場合と、円筒の断面を大きくする場合がある。円筒の断面を大きくする場合には、ある程度円筒の直径に応じてタップ付きスパイラルアンテナ４を大きくしないと、ＩＣＰやヘリコン波プラズマを効率よく発生させることができない。
図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、タップ付きスパイラルアンテナ４のインダクタンスを低減させるためのタップ付きスパイラルアンテナ４の巻線の構成を示す断面図であり、（ｂ）は２本の銅管１２を１つの巻線とし、（ｃ）は扁平な銅管１３を１つの巻線とすることで、インダクタンスの低減化を行う例を示している。さらに、タップ付きスパイラルアンテナ４のインダクタンス成分の影響を低減する方法として、高周波発振器の周波数ｆを低減化すればよい。
【００３６】
次に、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置における、タップ付きスパイラルアンテナと高周波発振器の整合について説明する。
市販の高周波発振器のインピーダンスは通常５０Ωや７５Ωであるので、タップ付きスパイラルアンテナを高周波発振器に直接接続するとインピーダンス不整合となるから、このアンテナと高周波発振器との間に整合回路６を挿入してインピーダンス整合をとる必要がある。ここで、タップ付きスパイラルアンテナの場合のインピーダンスの実部は低いので、基本的には、ローインピーダンスから５０Ωのハイインピーダンスへ変換する整合回路を使用し、Ｌを打ち消してインピーダンス変換できる回路が好ましい。
【００３７】
図５は、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いるスパイラルアンテナ用の整合回路の一例を示す図であり、図５（ａ）はスプリットタンク回路、図５（ｂ）はπマッチ回路である。図において、高周波発振器５の出力インピーダンスをＺ0 、タップ付きスパイラルアンテナ４をＲとＬの直列回路で示している。図５（ａ）のスプリットタンク回路は２つの可変容量コンデンサＣ１、Ｃ２（１４，１５）からなり、図５（ｂ）のπマッチ回路は２つの可変容量コンデンサＣ３、Ｃ４（１６，１７）とインダクタンスＬｐ１８と、から構成されている。
ここで、図５（ａ）のスプリットタンク回路の整合条件は、高周波発振器の角周波数をωとした場合には、Ｃ１、Ｃ２は、下記の（１）式及び（２）式で与えられる。
Ｃ１＝１／Ｚ0 ＊１／ω＊（（Ｚ0 ／Ｒ）−１）0.5             （１）
Ｃ２＝１／ω＊１／（−（Ｒ＊（Ｚ0 −Ｒ））0.5 ＋ωＬ）      （２）
さらに、必要に応じて高圧側と低圧側にシリーズに高周波発振器５の周波数ｆにおいて十分に容量性インピーダンスの低い直流阻止用コンデンサを接続して、直流カットを行ってもよい。これにより、タップ付きアンテナ４から反応室１のガスへ高周波電力をさらに効率よく励起できる。
【００３８】
次に、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０によるプラズマ放電をさせる手順について説明する。
反応室１を真空排気装置８で所定の圧力となるまで真空排気した後に、図２で示したような磁場を印加するために磁石３に所定の電流を印加する。磁石３が永久磁石の場合にはこの操作は不要である。次に、高周波プラズマを発生させるために所定の圧力のガスをガス導入装置７より反応室１へ導入し、一定の圧力となるように真空排気装置８と共に制御する。そして、タップ付きスパイラルアンテナ４に整合器６を介して高周波発振器５から高周波電力を供給することにより、ＩＣＰやヘリコン波プラズマによる高周波プラズマ１０を発生できる。
ここで、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップ位置を変えて巻数、即ち有効なアンテナ長を変えることにより、生成するプラズマの径方向のプラズマ密度分布を可変とすることができる。さらに、高周波発振器５の出力電力が低い場合にはＩＣＰを容易に発生でき、また、高周波発振器５の出力電力が高い場合にはヘリコン波プラズマを発生できる。ＩＣＰからヘリコン波プラズマへは、高周波発振器５の出力電力の増加だけで移行できる場合もある。
【００３９】
この際、導入ガス圧力及びその流量は、必要とする高周波プラズマプロセスに応じて選べばよい。ガス圧力が高くなり、電子衝突周波数（イオンと中性粒子) が高周波発振器５の励起周波数ｆより大きくなると、ヘリコン波プラズマから磁場存在下の誘導性結合型プラズマへ次第に移行する。また、ガス圧力が低い場合には、電子の中性粒子との衝突周波数が小さくなってプラズマの生成が困難となる。アルゴンガスを用いたときは、典型的な圧力として、０．１ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒ程度においてヘリコン波プラズマを発生させることができる。また、高周波発振器５の出力電力は、必要なプラズマ密度に応じて印加すればよく、この出力電力と共にプラズマ密度は上昇する。
このように、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置では、例えば円筒形の反応室１の長軸方向の磁場配位を、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍の磁場をゼロとしないで、高周波発振器５の周波数ｆの１０倍程度大きい電子サイクロトロン周波数となる磁場とし、さらに、軸方向中心部の最大磁場における電子サイクロトロン周波数が高周波発振器５の周波数ｆの３０倍から数十倍と十分に高くすればよい。
この構成によれば、反応管１の外部に設けた磁石３にて発生させた磁場配位により、大きな容積の高周波プラズマを効率よく発生させることができる。また、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップ位置を変えることにより径方向のプラズマ密度分布を可変にすることができる。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を説明する。
図６は、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３０の第２の実施の形態の構成を模式的に示す図である。高周波プラズマ装置３０は、比較的大きな直径を有するＳｉ基板や液晶のガラス基板などの基板２１に、プラズマエッチングやプラズマ堆積を行う高周波プラズマ装置である。図示するように、基板２１は、ステージ２２に載置されるように、図１の高周波プラズマ装置２０を９０°回転した構成としている。他の構成は図１と同じであるので、説明は省略する。
ステージ２２は例えば、円板形状のステンレスを用いることができる。ステージ２２のスパッタリングなどによる基板２１の汚染防止のためには、ステージ２２を石英板などで被覆するとよい。また、必要に応じて、ステージ２２は、基板２１の過熱防止のために冷却してもよい。ここで、ステージ２２は、例えば反応室１の外部で接地しているので、タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３０により高周波プラズマを発生させた場合には、基板２１は、プラズマ中のイオンによる、所謂浮遊電位効果により直流電圧が発生する。
【００４１】
図７は本発明の第２の実施の形態の変形例を模式的に示す図である。タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３５は、基板２１のバイアス電圧を制御できる高周波プラズマ装置である。図示するようにタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３５のステージ２２は高周波バイアス用発振器２３を介して接地されている以外は図６と同じ構成である。
ここで、高周波バイアス用発振器２３の周波数は、高周波発振器５により発生する高周波プラズマ１０に対して影響がないような周波数に設定し、その出力電力を適宜に調整することで、基板２１の載置されているステージ２２の電位を浮遊電位ではなく、任意のバイアス電位に制御できる。例えば、高周波バイアス用発振器２３の周波数は、高周波発振器５の周波数の１／１０から１／１００程度の周波数とすればよい。これにより、高周波プラズマ装置３０，３５において、基板の電位を浮遊バイアス電位または任意のバイアス電位となるように制御することにより、プラズマプロセスを高精度で処理できるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を実現できる。
【００４２】
次に、本発明の第３の実施の形態のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を説明する。
図８は、本発明の第３の実施の形態の構成を模式的に示す図である。タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置４０は、高周波プラズマ放電が低圧力で電離しにくい場合に、電子発生部２５を備えることにより予備電離を行い、高周波プラズマを効率よく生起させることができる。予備電離のための電子発生部２５は、反応室１の左端のアンテナに対向しない反応室１の壁寄りに設けられており、Ｗ（タングステン）などの電子発生用ヒータ２６と、引き出し電極２７と、ヒータ加熱用電源２８と、電子引き出し用電源２９から構成されている。電子発生部２５は、高周波プラズマの起動時以外は、反応室１の所定の場所に設ける予備室１Ａに退避できる構造となっている。プラズマに用いるガスに腐食性ガスが含まれている場合には、このような予備室１Ａを設けることが望ましい。他の構成は図１と同じであるので、説明は省略する。
【００４３】
ここで、本発明の第１の実施の形態で説明したタップ付きアンテナを有する高周波プラズマの発生方法において、反応室１の所定のプラズマガスを導入した後で、電子発生部２５から電子を発生させ、次に高周波発振器５から高周波電力を印加することにより、低圧力のガス中で容易にＩＣＰやヘリコン波プラズマなどの高周波プラズマを発生させることができる。この際、一度高周波プラズマが発生したら、電子発生部分２５を停止しても、高周波プラズマの放電は持続する。この電子発生部２５は、本発明の第１の実施の形態で説明したタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置２０だけでなく、本発明の第２の実施の形態で説明したタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置３０、３５にも適用できる。
この構成の電子発生手段を備えることにより、低圧力において、大きな容積と径方向分布のプラズマ密度分布の均一性のよいＩＣＰやヘリコン波の高周波プラズマを容易に発生できる、タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置を実現できる。
【実施例１】
【００４４】
次に、上述した本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置の実施例１を示す。
タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置は図１に示した構成であり、円筒状の反応室１は、外径が７５ｃｍ、軸方向長さが４８６ｃｍであり、容積は約２ｍ3 である。磁石３は電磁石を用いた。窓２は石英ガラスである。タップ付きアンテナ４としては、スパイラルアンテナの外径が２３ｃｍで、６巻のものを使用し、タップはスパイラルアンテナの両端とした。整合回路６はスプリットタンク回路を用いた。高周波発振器５は周波数７ＭＨｚで最大出力が１ｋＷである。ここで、高周波電力の給電は、スパイラルアンテナ４の外側端部４ｂを高電位側、内側端部４ａを低電位側になるように設定した（図４（ａ）参照）。なお、反応室１内に設けた磁場センサ、ラングミュアプローブ、窓部などにより、磁場やプラズマ密度、励起高周波（７ＭＨｚ）の磁場の空間計測、プラズマ発光などの測定を行った。
【００４５】
図９は実施例１の磁石３により形成される反応室１内の磁束密度分布を示す図である。主磁石３ａの電流が５０Ａのときに、副磁石３ｂの電流が、それぞれ（ａ）は０Ａ、（ｂ）は１０Ａ、（ｃ）は２０Ａの場合を示している。図において、横軸は反応室の軸方向長さ（ｍ）を示し、タップ付きスパイラルアンテナ４の位置が０である。縦軸は磁束密度（ガウス）である。
図９（ａ）に示すように、主電磁石３ａが５０Ａ、副電磁石３ｂが０Ａのときに形成される磁束密度分布は、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍（Ｚ＝０）が１０ガウス程度であり、中央付近の平坦部で約１４０ガウス、反応室１の他端において数ガウスとなっている。
主電磁石３ａが５０Ａ、副電磁石３ｂが１０Ａのときに形成される磁束密度分布は、図９（ｂ）に示すように、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍が３０ガウス以外は、副磁石３ｂに電流を流さないときとほぼ同様に、中央付近の平坦部で約１４０ガウス、反応室の他端において数ガウスとなっている。
主電磁石３ａが５０Ａ、副電磁石３ｂが２０Ａのときに形成される磁束密度分布は、図９（ｃ）に示すように、タップ付きスパイラルアンテナ４近傍が５０ガウス以外は、図９（ａ）や図９（ｂ）と同様な磁束密度分布である。
【００４６】
次に、反応室１にＡｒガスを２ｍＴｏｒｒの圧力で満たしたときの高周波プラズマの発生について説明する。
図１０〜図１３は、実施例１の高周波発振器の出力電力と得られたプラズマ密度との関係を示す図である。図において、横軸は高周波発振器の出力電力である高周波電力（Ｗ）、縦軸はプラズマ密度（ｃｍ-3）である。主電磁石３ａの電流を５０Ａと一定にし、副電磁石の電流値を変化させている。副磁石３ｂの電流は、それぞれ図１０が印加しない０Ａ、図１１が５Ａ、図１２が１０Ａ、図１３が１５Ａである。また、図中の●（黒丸）はＺ＝３７ｃｍ、▲（黒三角）はＺ＝１５０ｃｍ、■（黒四角）はＺ＝３７０ｃｍの位置のプラズマ密度を示している。
いずれの場合も、高周波発振器の出力電力の増加と共に、プラズマ密度が向上する、所謂ジャンプ現象が観測されている。
図１０に示すように、副磁石３ｂの電流が０Ａの場合には、高周波発振器５の出力電力が約７０Ｗ以上ではプラズマ密度のジャンプが生起し、約６００Ｗでプラズマ密度が１×１０12ｃｍ-3となっていることが分かる。
【００４７】
図１１に示すように、副磁石３ｂの電流が５Ａの場合には、高周波発振器５の出力電力が約１７０Ｗ以上ではプラズマ密度が急増し、約２２０Ｗで１×１０12ｃｍ-3を越えるプラズマ密度が得られた。このとき反応室１の中央付近のＺ＝１５０ｃｍでプラズマ密度が最大となっているが、Ｚ＝３７ｃｍとＺ＝３７０ｃｍでほぼ同程度の値が得られ、密度が非常に均一な高周波プラズマ１０が得られた。
【００４８】
また、図１２に示すように、副磁石３ｂの電流が１０Ａの場合には、高周波発振器５の出力電力が約２２０Ｗ以上でプラズマ密度が急増し、約３００Ｗで２×１０12ｃｍ-3を越えるプラズマ密度が得られた。このときＺ方向のプラズマ密度分布は、電流が５Ａの場合と同様であった。
【００４９】
さらに、図１３に示すように、副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合には、高周波発振器５の出力電力が約３００Ｗ以上ではプラズマ密度が急増し、約３９０Ｗで２×１０12ｃｍ-3以上のプラズマ密度が得られた。
ここで、プラズマ密度分布と励起高周波（７ＭＨｚ）の磁場の空間計測などの測定により、ジャンプ現象が観測される出力電力以下のプラズマはＩＣＰ、ジャンプ現象が観測される出力電力以上のプラズマはヘリコン波による高周波プラズマと推定できた。さらに、ジャンプ現象が生起する前においては、高周波電力に対してプラズマ密度が連続的に変化した。また、ジャンプ現象が生起した後も、高周波電力の増加と共に高いプラズマ密度が得られる。そして、この場合には高周波電力の増加に対するプラズマ密度の変化が大きくなるので、所望のプラズマ密度を得るためには高周波電力の正確な制御が必要であることが分かる。なお、ジャンプの前後の状態は、プラズマ密度分布と、励起高周波の磁場の空間計測、反応室に設けたプラズマ観察用窓からのプラズマ発光強度の観測などの測定により容易に判別することができる。
【００５０】
図１４は、図１０〜図１３に示した副磁石３ｂの電流に対するプラズマ密度とジャンプ現象が生起するときの高周波電力の関係を示す図である。図において、横軸は副磁石３ｂの電流（Ａ）を示し、縦軸はプラズマ密度（ｃｍ-3）とジャンプ現象が生起するときの高周波電力（Ｗ）である。主電磁石３ａの電流は５０Ａと一定である。また、図中の○（白丸）と●（黒丸）はＺ＝３７ｃｍ、△（白三角）と▲（黒三角）はＺ＝１５０ｃｍ、□（白四角）と■（黒四角）はＺ＝３７０ｃｍの位置における、ジャンプ現象の生起前後のプラズマ密度及びジャンプが生起するときの高周波電力を示している。
図から明らかなように、ジャンプ現象が生起するときのしきい値高周波電力は、副磁石電流の増加と共に増加した。また、ジャンプ現象が生起する前と生起した後のプラズマ密度も副磁石電流の増加と共に増加することが分かる。
【００５１】
図１５は、図１３におけるＺ軸の中心軸に沿う方向のプラズマ密度分布を示すものである。図において、横軸はＺ軸方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（１×１０12ｃｍ-3）を示している。ここで、副磁石電流は１５Ａであり、高周波発振器５の出力電力は３９０Ｗ、また、Ｚ＝０がスパイラルアンテナ４の位置である。図１５に示すように、スパイラルアンテナ４から反応室の内部に向かってプラズマ密度が増加し、ほぼＺ＝５０ｃｍ以上では一定となっていることが分かる。なお、図示しないが、反応室の他端もほぼ同様の傾向を示している。Ｚ軸方向のプラズマ密度の測定によれば、Ｚ軸方向の中心部のプラズマ密度分布は、反応室１の全長４８６ｃｍの内、約３５０ｃｍ程度は平坦なプラズマ密度分布となった。
【００５２】
図１６は、図１０〜図１３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。プラズマ密度分布はＺ＝１５０ｃｍでの測定値であり、図１６において、横軸は径方向距離（ｃｍ）を、縦軸はプラズマ密度の最大値で規格化した規格化プラズマ密度を示している。また、副磁石３ｂの電流は、図中の■（黒四角）が０Ａ、●（黒丸）が５Ａ、＊が１０Ａ、▲（黒三角）が１５Ａの場合を示している。
副磁石３ｂに電流を流さない場合は、高周波電力が４２Ｗで４．４×１０10ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、その時のプラズマ密度の径方向の半値幅は約２２ｃｍである。一方、副磁石電流が５Ａ〜１５Ａのときの高周波発振器５の出力電力は６９Ｗ〜１６８Ｗで、プラズマ密度の最大値が５．９〜９．９×１０10ｃｍ-3であった。このときのプラズマ密度分布の半値幅としては、約３４ｃｍ〜２９ｃｍ程度が得られた。これから、副磁石電流を０から増加させるにしたがい、径方向のプラズマ密度分布が変化することが分かる。
【実施例２】
【００５３】
タップ付きスパイラルアンテナ４のタップは６巻の内、それぞれ、外周側３巻のタップと、内周側３巻のタップを用いた以外は、上記実施例１と同じ高周波プラズマ装置を用いた。ここで、スパイラルアンテナ４への給電は、その外側端部４ｂを高電位側、内側端部４ａを低電位側とした（図４（ａ）参照）。
図１７及び図１８は、それぞれ、実施例２の外周側３巻と内周側３巻のタップ付きスパイラルアンテナを使用したときの高周波発振器の出力電力と得られたプラズマ密度の関係を示す図である。図において、横軸は高周波発振器の出力電力（Ｗ）で、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）である。主電磁石３ａ及び副電磁石３ｂの電流はそれぞれ５０Ａと１５Ａである。Ａｒガス圧力は、０．５ｍＴｏｒｒと２ｍＴｏｒｒである。また、図中の△（白三角）はＺ＝４０ｃｍ、○（白丸）はＺ＝１５０ｃｍ、□（白四角）はＺ＝３２０ｃｍの位置のプラズマ密度を示している。
外周側３巻にタップを設けたタップ付きスパイラルアンテナ４を使用した場合には、図１７に示すように、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒで、高周波電力が１０Ｗ程度から高周波プラズマが発生していることが分かる。副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合には、約１８０Ｗでジャンプが生じている。また、高周波電力が２００Ｗ程度で、２×１０11ｃｍ-3程度のプラズマ密度が得られる。実施例１と同様に、副磁石３ｂの電流を増していくと、プラズマ密度分布が増加し、かつ、ＩＣＰからヘリコン波プラズマに変化するジャンプする高周波電力も増加することが分かる。また、Ａｒガス圧力が０．５ｍＴｏｒｒと低い場合には、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒと比較してプラズマ密度が低いことが分かる。
【００５４】
また、内周側３巻にタップを設けたタップ付きスパイラルアンテナ４を使用した図１８の場合も、図１７と同様に、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒで、高周波電力が１０Ｗ程度から高周波プラズマが発生していることが分かる。副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合には、約２００Ｗでジャンプが生じている。また、高周波電力が３００Ｗ程度で、４×１０11ｃｍ-3程度のプラズマ密度が得られる。実施例１と同様に、副磁石３ｂの電流を増していくと、プラズマ密度分布が増加し、かつ、ＩＣＰからヘリコン波プラズマに変化するジャンプする高周波電力も増加する。また、Ａｒガス圧力が０．５ｍＴｏｒｒと低い場合には、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒと比較してプラズマ密度が低いことと、副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合には８００ＷまではＩＣＰからヘリコン波プラズマに変化するジャンプが生起しないことが分かる。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップを外周側３巻のタップと、内周側３巻のタップにより高周波プラズマを発生させた場合に、発生するプラズマ密度やジャンプする高周波電力が変化することが分かる。
【００５５】
図１９及び図２０は、図１７及び図１８における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）である。プラズマ密度分布はＺ＝１５０ｃｍでの測定値であり、また、Ａｒガス圧力は、それぞれ図中の○（白丸）が２ｍＴｏｒｒ、▲（黒三角）が０．５ｍＴｏｒｒの場合を示している。
図１９に示すように、外周側３巻にタップを設けたタップ付きスパイラルアンテナ４を使用し、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒで副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合において、高周波電力を１７９Ｗから１９３Ｗと変化させると、プラズマ密度が約８×１０10ｃｍ-3から３．１×１０11ｃｍ-3と増加し、かつ、プラズマプラズマ密度分布が変化することが分かる。このときのプラズマ密度分布の半値幅としては、高周波電力を１７９Ｗから１９３Ｗとした場合に、それぞれ、約３４ｃｍ及び２９ｃｍ程度が得られ、径方向のプラズマ密度分布が変化している。また、径方向のプラズマ密度分布は、Ａｒガス圧力の低い０．５ｍＴｏｒｒの場合と、ほぼ同様であった。
【００５６】
図２０に示すように、内周側３巻にタップを設けたタップ付きスパイラルアンテナ４を使用し、Ａｒガス圧力が２ｍＴｏｒｒで副磁石３ｂの電流が１５Ａの場合において、高周波電力を８７Ｗから２３２Ｗと変化させると、プラズマ密度が約８×１０10ｃｍ-3から４×１０11ｃｍ-3と増加し、かつ、プラズマ密度分布が変化することが分かる。このときのプラズマ密度分布の半値幅としては、高周波電力を８７Ｗから２３２Ｗとした場合に、それぞれ、約３４ｃｍ〜２４ｃｍと変化し、径方向のプラズマ密度分布が変化し、かつ、そのプラズマ密度分布がスパイラルアンテナのタップにより制御できる。また、径方向のプラズマ密度分布は、Ａｒガス圧力の低い０．５ｍＴｏｒｒの場合が、均一性の範囲が広いことが分かる。
以上のように、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップを外周側３巻と、内周側３巻とのタップを用いて高周波プラズマを発生させた場合に、発生するプラズマ密度や径方向のプラズマ密度分布が変化することが分かる。
【実施例３】
【００５７】
アンテナ４としてタップ付きスパイラルアンテナの外径が４３ｃｍで、４巻を用いた以外は実施例１と同じ高周波プラズマ装置を用いた。ここで、スパイラルアンテナ４への給電は、その外側端部４ｂを高電位側、内側端部４ａを低電位側になるようにした（図４（ａ）参照）。
図２１は実施例３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（ｃｍ-3）を示している。主磁石３ａの電流は５０Ａであり、副磁石３ｂの電流は、図中の○（白丸）が０Ａ、●（黒丸）が１６Ａの場合を示している。また、Ａｒガス圧力は０．５ｍＴｏｒｒである。副磁石３ｂに電流を流さない場合には、高周波電力が５２０Ｗで、１．７×１０12ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約１６ｃｍである。一方、副磁石電流が１６Ａの場合には、高周波電力が５６１Ｗで、８．５×１０11ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約３８ｃｍである。
このように、副磁石電流が１６Ａの場合にプラズマ密度分布の半値幅が広くなるのは、ヘリコン波プラズマにおいてはＡｒガス圧力が低い程、またＩＣＰプラズマの状態において顕著である。これから、副磁石電流を０から増加させ、スパイラルアンテナ４近傍の磁場を増加させることにより、径方向のプラズマ密度分布が改善され、均一な領域が拡大することが分かる。これは、副磁石３ｂの電流増加により、スパイラルアンテナ４近傍の磁場が収束分布の収束度が弱くなり、一様分布に近くなることに起因している。
【実施例４】
【００５８】
実施例４として、実施例３と同様に外径が４３ｃｍで４巻タップ付きスパイラルアンテナ４を用い、それぞれ、外周側２巻のタップと、内周側２巻のタップを用いた以外は、上記実施例１と同じ高周波プラズマ装置を用いた。ここで、外周側２巻のタップの場合のスパイラルアンテナ４への給電は、その外側端部４ｂを高電位側、内側２巻目のタップ４ｃを低電位側になるよう設定した（図４（ａ）参照）。また内周側２巻のタップの場合のスパイラルアンテナ４への給電は、内周側端部４ａから２巻目のタップ４ｃを高電位側、内側端部４ａを低電位側とした（図４（ａ）参照）。
図２２は、実施例４における径方向のヘリコン波による高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。主磁石３ａの電流は５０Ａであり、副磁石３ｂの電流は１６Ａである。図中の□（白四角）がタップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合であり、△（白三角）がその外周側２巻のタップを使用した場合であり、●（黒丸）は比較のために示した４巻スパイラルアンテナの場合である。主磁石３ａの電流は５０Ａで、副磁石３ｂの電流は１６Ａである。また、Ａｒガス圧力は０．５ｍＴｏｒｒであり、測定点はＺ＝１５０ｃｍである。
タップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合には、高周波電力が３７４Ｗで、最大２．１×１０11ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約３３ｃｍであった。一方、タップ付きスパイラルアンテナ４の外周側２巻のタップを使用した場合には、高周波電力が３８７Ｗで、最大３．３×１０11ｃｍ-3の平坦部を有するホロー状のプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約４１ｃｍである。また、タップ付きスパイラルアンテナ４が４巻の場合には、高周波電力が５５５Ｗで、６×１０11ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約４１ｃｍであった。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップ位置を変えることにり、径方向のヘリコン波プラズマ密度が変化することが分かる。
【００５９】
図２３は実施例４における径方向のＩＣＰ高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。図中の□（白四角）がタップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合であり、△（白三角）がその外周側２巻のタップを使用した場合である。また、主磁石３ａ及び副磁石３ｂの電流、Ａｒガス圧力及び測定点は図２２と同一条件である。
タップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合には、高周波電力が２０９Ｗで、最大プラズマ密度が約７×１０10ｃｍ-3のほぼ平坦なピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約４５ｃｍであった。一方、タップ付きスパイラルアンテナ４の外周側２巻のタップを使用した場合には、高周波電力が１９５Ｗで、最大プラズマ密度３．５×１０10ｃｍ-3の平坦部の中央が少し窪んだ形状のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約５０ｃｍである。これにより、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップの位置や、その給電電位を変えることで径方向のヘリコン波プラズマ密度及びその半値幅が変化することが分かる。
【００６０】
図２４は、タップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合に給電を逆にしたときの径方向のヘリコン波による高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）を、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。図中の□（白四角）が図２２とは逆に、タップ付きスパイラルアンテナ４の最内周の端部４ａを高電位に給電した場合であり、△（白三角）が端部４ａを低電位とし外側のタップを高電位とした図２２のデータであり併せて示している。また、主磁石３ａ及び副磁石３ｂの電流、Ａｒガス圧力及び測定点は図２２と同一条件である。給電を逆にし内側を高電位に給電した場合には、高周波電力が４３７Ｗで、最大５．５×１０11ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約３４ｃｍであり、若干高周波電力が高いものの最大プラズマ密度が増加し、かつ、プラズマ密度分布の半値幅は殆ど同じであることが分かる。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップの位置や、その給電電位を変えることで径方向のヘリコン波プラズマ密度が変化することが分かる。
【００６１】
図２５は、図２３のタップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合に、給電を逆にしたときの径方向のＩＣＰ高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）を、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。図中の■（黒四角）が図２３とは逆に、タップ付きスパイラルアンテナ４の最内周の端部４ａを高電位に給電した場合であり、□（白四角）が端部４ａを低電位とし外側のタップ４ｃを高電位とした図２３のデータである。また、主磁石３ａ及び副磁石３ｂの電流、Ａｒガス圧力、及び測定点は図２２と同一条件である。給電を逆にし内側を高電位に給電した場合には、高周波電力が１９７Ｗで、最大５×１０10ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約４０ｃｍであり、最大プラズマ密度及びプラズマ密度分布の半値幅が低化することが分かる。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４の内側を高電位とした場合には、ピークを有するプラズマ密度分布となり、外側内側を高電位とした場合には比較的平坦なプラズマ密度が得られることが分かる。これにより、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップの位置やその給電電位を変えることで、径方向のＩＣＰプラズマ密度及びその半値幅が変化することが分かる。
【００６２】
次に、ＩＣＰ高周波プラズマよりも低い高周波電力で生起するプラズマであるＩＣＰとＣＣＰ（誘電結合的放電）混在のプラズマ放電について説明する。
図２６は、タップ付きスパイラルアンテナ４の内周側２巻のタップを使用した場合に給電を逆にしたときの径方向のＩＣＰとＣＣＰ混在の高周波プラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。図中の■（黒四角）がタップ付きスパイラルアンテナ４の最内周の一端４ａを高電位に給電した場合であり、□（白四角）が端部４ａを低電位とし外側のタップ４ｃを高電位とした場合である。高周波電力は１２Ｗである。また、主磁石３ａ及び副磁石３ｂの電流、Ａｒガス圧力、及び測定点は図２２と同一条件である。
内側を高電位に給電した場合には、最大１．３×１０10ｃｍ-3のピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約４３ｃｍである。一方、外側を高電位に給電した場合には、最大２×１０10ｃｍ-3のほぼ平坦なピークを有するプラズマ密度分布が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は約５０ｃｍである。これから、タップ付きスパイラルアンテナ４の内側を高電位とした場合には、ピークを有するプラズマ密度分布となり、外側を高電位とした場合には比較的平坦なプラズマ密度が得られることが分かる。これにより、タップ付きスパイラルアンテナ４のタップの位置や、その給電電位を変えることで、径方向のＩＣＰとＣＣＰ混在の高周波プラズマ密度及びその半値幅が変化することが分かる。
上記実施例においては、磁場分布を主電磁石３ａと副磁石電流３ｂにより変化させたが、所望の磁場分布を１つの電磁石により実現してもよい。
【００６３】
実施例１〜実施例４で説明したように、磁場分布、高周波電力、タップ付きスパイラルアンテナの形状、そのタップ、給電電位の与え方などを変えることにより、種々のプラズマ密度分布を有する高周波プラズマが得られた。
これらの実施例から、プラズマ密度分布は、高周波電力の増加に従い増加することが分かる。また、ＩＣＰからヘリコン波プラズマになると推定できる所謂ジヤンプ現象が生起する高周波電力は、副磁石３ｂの電流を変える、即ち、磁場分布と、タップ付きスパイラルアンテナの構造と、プラズマ励起用の高周波発振器の電力などにより変化することが分かる。
本発明のタップ付きアンテナを用いた高周波プラズマ装置において、例えば図８に示すような磁場配位を使用することにより、２ｍ3 という大きな容積の高周波プラズマが、１×１０12ｃｍ-3のプラズマ密度で約３００Ｗの低電力で得られた。また、スパイラルアンテナ４近傍の磁場強度を増すにつれてプラズマ密度が増加し、かつ、径方向のプラズマ密度分布の半値幅が広くなるように制御できることが分かる。
【００６４】
以上説明したように、実施例で得られたタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ容積は約２ｍ3 であり、本発明者らによる従来例の約７倍も容積が大きい高周波プラズマが得られる。また、径方向のプラズマ密度分布も制御できる。これにより、本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置によれば、容積が大きく径方向のプラズマ密度分布がよく、かつ、制御可能なＩＣＰやヘリコン波による高周波プラズマを得ることができる。
【００６５】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。所望の磁場分布を与える磁石、反応室の形状、タップ付きアンテナなどの形状は、プラズマの目的に応じて、適宜設計できることも明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明によるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置の第１の実施の形態の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いる電磁石により反応室に生じる磁束密度分布の一例を示す図である。
【図３】Ｚ方向の磁場を模式的に説明する図であり、それぞれ、（ａ）は一様磁場、（ｂ）は発散磁場、（ｃ）は収束磁場、（ｄ）はカスプ磁場である。
【図４】タップ付きスパイラルアンテナの形状を示す平面図及び断面図である。
【図５】本発明のタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置に用いるタップ付きスパイラルアンテナ用の整合回路の一例を示し、（ａ）はスプリットタンク回路、（ｂ）はπマッチ回路である。
【図６】本発明によるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置の第２の実施の形態の構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明による第２の実施の形態の変形例の構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明によるタップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置の第３の実施の形態の構成を模式的に示す図である。
【図９】磁石により形成される反応室内の磁束密度分布を示す図である。
【図１０】高周波発振器の出力電力と副磁石電流が０Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１１】高周波発振器の出力電力と副磁石電流が５Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１２】高周波発振器の出力電力と副磁石電流が１０Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１３】高周波発振器の出力電力と副磁石電流が１５Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１４】図１０〜図１３に示した副磁石の電流に対するプラズマ密度とジャンプ現象が生起するときの高周波電力の関係を示す図である。
【図１５】図１３におけるＺ軸の中心軸に沿う方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図１６】図１０〜図１３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図１７】外周側３巻のタップ付きスパイラルアンテナを使用したときの高周波発振器の出力電力と得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１８】内周側３巻のタップ付きスパイラルアンテナを使用したときの高周波発振器の出力電力と得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１９】図１７における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図２０】図１８における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図２１】実施例３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図２２】実施例４における径方向のヘリコン波による高周波プラズマ密度分布を示す図である。
【図２３】実施例４における径方向のＩＣＰ高周波プラズマ密度分布を示す図である。
【図２４】タップ付きスパイラルアンテナの内周側２巻のタップを使用した場合に給電を逆にしたときの径方向のヘリコン波による高周波プラズマ密度分布を示す図である。
【図２５】図２３のタップ付きスパイラルアンテナの内周側２巻のタップを使用した場合に、給電を逆にしたときの径方向のＩＣＰ高周波プラズマ密度分布を示す図である。
【図２６】タップ付きスパイラルアンテナの内周側２巻のタップを使用した場合に給電を逆にしたときの径方向のＩＣＰとＣＣＰ混在の高周波プラズマ密度分布を示す図である。
【図２７】薄膜の堆積，エッチングに使用される一般的な容量性結合型プラズマ発生装置を模式的に示す図である。
【図２８】プラズマ処理装置に使用されている一般的な誘導性結合型プラズマ発生装置を模式的に示す図である。
【図２９】従来のヘリコン波プラズマ装置の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１    反応室
２    窓
３    磁石
３ａ    主磁石
３ｂ    副磁石
４    タップ付きアンテナ（タップ付きスパイラルアンテナ）
４ａ，４ｂ  タップ付きスパイラルアンテナ端部
４ｃ    タップ
５    高周波発振器
６    整合器
７    ガス導入装置
８    真空排気装置
９    制御装置
１０    高周波プラズマ
１２，１３    銅管
１４，１５，１６，１７    可変容量コンデンサ
１８    インダクタンス
２０，３０，３５，４０    タップ付きアンテナを有する高周波プラズマ装置
２１    基板
２２    ステージ
２３    高周波バイアス用発振器
２５    電子発生部
２６    電子発生用ヒータ
２７    引き出し電極
２８    ヒータ加熱用電源
２９    電子引き出し用電源
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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