(57)【要約】【課題】ＥＣＲ方式によらないで、真空容器内のガスを、前記容器内に配置したマイクロ波共振器からのエバネッセント波により直接励起するマイクロ波プラズマ発生装置を提供する。【解決手段】本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置は、励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、プラズマガス源と、前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器１と、前記容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管３と、および前記容器１内に配置された平行平板ランチャ２とから構成されている。平行平板ランチャ２は、前記同軸導波管３の外導体３１に接続された第１の導体板２１、誘電体板２３、前記同軸導波管３１の中心導体３２に接続され、エバネッセントマイクロ波を前記真空容器１内に放出する多数の開口孔を有する第２の導体板２２とから共振空洞を形成している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
プラズマガス源と、
前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、
前記容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管と、および
前記同軸導波管の外導体に接続された第１の導体板、誘電体板、前記同軸導波管の中心導体に接続され、エバネッセントマイクロ波を前記真空容器内に放出する多数の開口孔を有する第２の導体板とから共振空洞を形成する平行平板ランチャと、
を備えるマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項２】
前記同軸導波管は前記真空容器に機密に結合され前記ランチャを支持し、前記ランチャの第２の導体板に対面する位置にワークを支持する支持手段が設けられており、前記支持手段と前記ランチャの相対距離は調節可能に構成されている請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項３】
前記真空容器は円筒状容器であり、前記同軸導波管は前記容器の中心線に沿って移動可能であり、前記ランチャの第１の導体板の外形は前記容器の内径よりもわずかに小である請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項４】
前記ランチャの第１の導体板の外周には前記第２の導体板方向に延びる円筒部分が設けられており、前記円筒部分の下端縁と前記第２の導体板の外周間にマイクロ波放出ギャップが設けられている請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項５】
マイクロ波源駆動手段により前記マイクロ波源をパルス変調する出力を発生し、間欠駆動するように構成した請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波のみで、真空室内のプラズマガスを励起しプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ装置が知られている。この形式のプラズマ装置は、磁場を用いるため磁場発生装置が必要である。そのために、装置全体として大形になり易いが、プラズマ空間を大きくとることができないという問題がある。また動作圧力（ブラズマガス分圧）が比較的低圧（高い真空度）で動作させる必要があり、高密度のプラズマガスを広い空間に発生させたいという工業的な要求を満たしていない。
【０００３】
前記電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ装置等で、プラズマガスが導入される真空容器を、容器の石英窓を介して外部に配置されるアンテナ等により励起するプラズマガス発生装置が知られている。この装置は、石英窓と容器内のプラズマガスの境界表面の電磁界によりプラズマ生成を行うものである。プラズマ発生領域の大面積化に伴い大面積かつ分厚い石英窓ガラスが必要となる。石英窓ガラスを透過してガスに作用し、その分だけ、影響力が減少させられる。
【０００４】
さらに前記真空容器内にマイクロ波ランチャを導入して容器内部に直接マイクロ波を導入する装置が知られている。特許文献１〜４記載の発明は、真空容器内にマイクロ波ランチャを導入して容器内のプラズマガスを励起する形式のプラズマ発生装置である。しかしマイクロ波供給手段から直接容器内にマイクロ波を供給する構成となっておらず、いずれも誘電体透過窓等を介して供給している。また、ホーンアンテナ励起では、ストリーマ状の励起がおこり、広範囲に均一なプラズマ励起が困難になるという問題があった。
【特許文献１】特開平０１−１８４９２１号公報
【特許文献２】特開平０１−１８４９２２号公報
【特許文献３】特開平０１−１８４９２３号公報
【特許文献４】特開平０３−１９１０７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、真空容器内のガスを、前記容器内に配置したマイクロ波共振器からのエバネッセント波により直接励起し、ＥＣＲ方式によらないプラズマ発生装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、
励起マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
プラズマガス源と、
前記プラズマガス源からガスが供給されるプラズマ発生用の真空容器と、
前記容器内に励起用のマイクロ波を導入する同軸導波管と、および
前記同軸導波管の外導体に接続された第１の導体板、誘電体板、前記同軸導波管の中心導体に接続され、エバネッセントマイクロ波を前記真空容器内に放出する多数の開口孔を有する第２の導体板とから共振空洞を形成する平行平板ランチャと、を備えて構成されている。
本発明による請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記同軸導波管は前記真空容器に機密に結合され前記ランチャを支持し、前記ランチャの第２の導体板に対面する位置にワークを支持する支持手段が設けられており、前記支持手段と前記ランチャの相対距離は調節可能に構成されている。
【０００７】
さらに、本発明による請求項３記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記真空容器は円筒状容器であり、前記同軸導波管は前記容器の中心線に沿って移動可能であり、前記ランチャの第１の導体板の外形は前記容器の内径よりもわずかに小となるように構成することができる。
さらに、本発明による請求項４記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記ランチャの第１の導体板の外周には前記第２の導体板方向に延びる円筒部分が設けられており、前記円筒部分の下端縁と前記第２の導体板の外周間にマイクロ波放出ギャップを設けて構成することができる。
さらに、本発明による請求項５記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、マイクロ波源駆動手段により前記マイクロ波源をパルス変調する出力を発生し、間欠駆動するように構成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。
図１は、本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置の実施例の主要部の断面図、図２は前記実施例のランチャ部分を拡大して示した断面図である。図３は、前記ランチャの第２の導体の一部を拡大して示した図である。図４には前記装置の平面図および駆動源をブロック図で示してある。
【０００９】
図４に本実施例装置の平面配置と駆動回路を示す。励起マイクロ波を発生するマイクロ波源９として２．４５ＧＨｚマイクロ波発振器（マグネトロン）を使用した。このマイクロ波源９はマイクロ波源駆動手段１５により、駆動される。マイクロ波源駆動手段１５には制御信号（含む負帰還信号）１５ａが接続され、必要に応じてマグネトロンを間欠駆動できるように構成されている。プラズマ発生用の真空容器１には図示しないプラズマガス源からプラズマガスが供給される。同軸導波管３は前記容器１に励起用のマイクロ波を導入する。
平行平板ランチャ２は、図２に示されているように前記同軸導波管３の外導体３１に接続された第１の導体板２１、石英の誘電体板２５および第２の導体板２２を含んでいる。第１の導体板２１と石英の誘電体板２５間にはシールリング２３，２４が配置されている。
【００１０】
前記第２の導体板２２は前記同軸導波管３の中心導体３２に接続され、エバネッセントマイクロ波２６・・２６を前記真空容器１内に放出する多数の開口孔２２ａ（図３参照）を備えている。
この第１の導体板２１と第２の導体板２２の間に配置された石英の誘電体板２５は共振空洞を形成する平行平板ランチャ（または誘電体伝送線路型マイクロ波ランチャ）２を形成している。
【００１１】
前記真空容器１内には前記ランチャの第２の導体板２２に対面する位置にワークを支持する支持手段（サブストレートステージ４）が設けられている。
この実施例ではサブストレートステージ４は軸４１により支持され前記真空容器１内で上下動可能である。前記同軸導波管３は前記真空容器１に機密に結合され前記ランチャ２を支持している。前記同軸導波管３，サブストレートステージ４の両方または何れか一方を容器に対して気密を保って移動可能にすることにより、サブストレートステージ４上のワーク（図示せず）と前記ランチャ２の相対距離は調節することができる。なお、真空容器１内には、内部のプラズマ情報を得るためにプローブ６が挿入されている。
【００１２】
この実施例は前記真空容器１を円筒状容器とし、前記同軸導波管３は前記容器の中心線に沿って配置し、前記ランチャ２の第１の導体板２１の外形は前記容器１の内径よりもわずかに小さくして、容器内に均一なプラズマを発生させるようにしてある。前記ランチャ２の第１の導体板２１の外周には前記第２の導体板２２方向に延びる円筒部分が設けられており、前記円筒部分の下端縁と前記第２の導体板２２の外周間にエバネッセントマイクロ波を放出するリング状のギャップが設けてある。
なおこのギャップは容器内の壁面近くまでプラズマを発生させることを意図したものであるが、多数の開口からのエバネッセントマイクロ波で十分なプラズマ発生が期待できることを確認している。
【００１３】
この装置は、連続動作により、特にランチャ部の温度上昇が見られるが、これは、前記マイクロ波源９を、マイクロ波源駆動手段１５からパルス変調出力を発生し、間欠駆動するようにして好ましい温度状態を保たせることができる。
【００１４】
以下さらに実施例の詳細な構成と動作を説明する。
マグネトロンにより形成されるマイクロ波源９は２．４５ＧＨｚで発振しており、発振出力は矩形導波管回路を介して、短絡板１０で終端されている変換部の導波管１１に接続されている。マイクロ波源９から変換部の導波管１１にいたる経路にそって、アイソレータ（図示せず）、方向性結合器８、チューナ７が配置されている。
変換部の導波管１１で同軸変換されたマイクロ波（TEM 00）は、共振器部で共振モード(TM mn）となりエバネッセント波２６が開口孔２２ａから真空容器１内に放出される。この実施例ではTM42, TM71, TM23, TM04のモードが予想される。
【００１５】
真空容器１は直径２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍの円筒形である。
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平行平板ランチャ２の第１の導電板の直径Ｄ1 （＝２４０ｍｍ）と、石英製の誘電体２５の厚さは８ｍｍで全部の実施例に共通とし以下の４通りのランチャ２について実験を行なった。
１）Ｄ1 ＝２４０ｍｍ  Ｄ2 ＝２２０ｍｍ  ｄh ＝１ｍｍ  ｄS ＝１．５ｍｍ
２）Ｄ1 ＝２４０ｍｍ  Ｄ2 ＝２２０ｍｍ  ｄh ＝８ｍｍ  ｄS ＝１２ｍｍ
３）Ｄ1 ＝２４０ｍｍ  Ｄ2 ＝２３０ｍｍ  ｄh ＝１ｍｍ  ｄS ＝１．５ｍｍ
４）Ｄ1 ＝２４０ｍｍ  Ｄ2 ＝２３０ｍｍ  ｄh ＝８ｍｍ  ｄS ＝１２ｍｍ
プラズマ生成の放電条件は、マイクロ波入射パワー７００Ｗ、反射パワーは２０Ｗ、放電ガスとしてアルゴン、酸素などを用いた。ガス圧は１０〜２０Ｐａ（パスカル）、ガス流量は１００〜２００ｓｃｃｍである。
【００１６】
同軸管３部を伝搬するマイクロ波は石英板２５を伝わり、上記１）２）の場合は、多数の開口および周辺部から洩れ放射の両方が存在する。また石英板を完全に周囲の上側導体板２１の外周金属内壁まで占め、下側導体板２２で密封した場合上記３）４）の場合には、共振器構造となり石英内部に共振条件を満たすモードの電磁界が分布し、パンチングプレートの孔からの洩れのみでプラズマの生成が行われるはずである。マイクロ波パワー５００Ｗ、ガス圧力約１５０Ｐａにおけるプラズマ放電がランチャ全面で観測された。前記各実施例において、良好なプラズマ放電と拡散がみられた。
【００１７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置は、前記同軸導波管の外導体に接続された第１の導体板、誘電体板、前記同軸導波管の中心導体に接続され、エバネッセントマイクロ波を前記真空容器内に放出する多数の開口孔を有する第２の導体板とから共振空洞を形成する平行平板ランチャを使用している。
マイクロ波導入部を真空容器内に設置する構造のため、真空容器のシール材料またはマイクロ波の窓として石英板を使用する必要がなくなった。石英板は高価であるから、石英板による制限なしで、真空容器を安価に製造できる。
エバネッセントマイクロ波を前記真空容器内に放出し、エバネッセントマイクロ波は多数の開口孔を有する第２の導体板の開口から、直接効率良く容器内に導入される。石英板は共振器の内部の誘電体として作用し、マイクロ波は石英板の障害なしにガスに作用することにより、従来の装置よりもプラズマ励起の効率を高めることができる。ＥＣＲ方式に頼る必要はなくマイクロ波伝搬による大口径化が可能である。
【００１８】
本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置は、前記同軸導波管は前記真空容器に機密に結合され前記ランチャを支持し、前記ランチャの第２の導体板に対面する位置にワークを支持する支持手段が設けられており、前記支持手段と前記ランチャの相対距離は調節可能に構成することができる。したがって、ワークにおけるプラズマ密度を調整できる利点を有している。
【００１９】
またランチャを誘電体伝送線路方式にすることにより、さらに誘電体の比誘電率だけマイクロ波の伝搬波長を短くできるため、電磁界分布の半径方向のモード数が増加し、生成されるプラズマの空間分布の均一さが誘電体を用いない場合よりも改善できる利点を有している。
【００２０】
本発明による実施例によれば、真空容器１は直径２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ程度の円筒容器において、直径１〜８ｍｍ程度の多数の開口を設けることにより、安定したプラズマの生成が可能であることが確認された。この開口の大きさは、より大きい直径の真空容器にも適用でき、電磁界分布をより均一に分布させることを可能にする。
【００２１】
以上詳しく説明した実施例について、本発明の範囲内において、種々の変形を施すことができる。
例えば、ランチャ部の水冷方式を導入することにより、石英板の過熱を防止し、より大出力のプラズマ発生装置を提供できる。実施例として共振形のランチャの例を示したが、エバネッセントモード以外の周辺からの放射も共存し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置の実施例の主要部の断面図である。
【図２】前記実施例のランチャ部分を拡大して示した断面図である。
【図３】前記ランチャの第２の導体の一部を拡大して示した図である。
【図４】本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置の実施例の断面図である。
【符号の説明】
Ｐ  プラズマ
１  真空容器
２  平行平板ランチャ
３  同軸導波管
４  サブストレート支持板（サブストレートステージ）
５  台
６  プローブ
７  チューナ
８  方向性結合器
９  マイクロ波源（マグネトロン）
１０  短絡板
１１  矩形導波管
１２  真空バルブ
１３  ターボ分子ポンプ
１５  マイクロ波源駆動手段
２１  第１の導体板
２２  第２の導体板
２３，２４  シールリング
２５  誘電体板（石英板）
２６  エバネッセントマイクロ波
３１  同軸導波管外導体
３２  同軸導波管中心導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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