(57)【要約】【課題】広い断面上で密度が一様で、ターゲット面に垂直な速度成分が大きく、平行な速度成分が小さい、良質のプラズマを得る。【解決手段】このプラズマ源装置１は、プラズマ発生部３、プラズマ移送部５及びプラズマ導出部７を備えており、プラズマ移送部５は異なったラセン度を持つ複数のヘリカル磁場コイルにより発生した複数の磁場を合成した多重ヘリカル磁場によるストキャスティックな磁力線構造を有し、プラズマ導出部７は、末広がりの逆ミラー構造の磁力線構造を有する。【選択図】図１
2005158548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生部と、プラズマ移送部と、プラズマ導出部を備えているプラズマ源装置であって、
上記プラズマ移送部は、異なったラセン度を持つ複数のヘリカル磁場コイルにより発生した複数の磁場を合成した多重ヘリカル磁場によるストキャスティックな磁力線構造を有し、
上記プラズマ導出部は、末広がりの逆ミラー構造の磁力線構造を有することを特徴とするプラズマ源装置。
【請求項２】
プラズマ発生部から磁力線を用いてプラズマを引き出すプラズマ源の発生方法において、
引き出し途中の磁力線の構造をストキャスティックにすることによって、引き出し方向に垂直な面上でのプラズマ密度分布を一様化するとともに、
引き出し端部において、末広がりの逆ミラー構造の磁力線構造を用いることにより、引き出し部の断面積の増加と断面の形状の制御、並びに引き出されたプラズマの、引き出し方向に垂直な速度成分の低減を実現することを特徴とするプラズマ発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、引き出し方向に垂直な速度成分が小さく、しかも断面積の大きな一様プラズマ源を必要とするプラズマプロセスにおいて使用される。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ源は多種多様なものがあるが、代表的な大面積のプラズマ源としては、スダレ状の電極を用いるものや、容器表面に磁石を並べて容器壁へのプラズマの損失を押さえる、バケット型のものが知られている（特許文献１、２、非特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平１１−２８３９２６号公報
【特許文献２】特開平１１−２４１１８９号公報
【非特許文献１】“Deisgn of radial line shot antennas at 8.3 GHz for large area uniform plasma generation” Tetsuya Yamamoto, Nguyen Thang Chien,Makoto Yamamoto,et.al., Jananese Journal of Applied Physics, Volume 38, Issue 4A,pp.2083-2088,April 1999
【非特許文献２】“Uniform RF Discharge Plasmas Produced by a Square Hollow Cathode with Tapered Shape” Taichi Fukuda, Akiko Matstuoka,Yoshiomi Kondoh,and Minoru Sugawara, Japanese Journal of Applied Physics,Volume 37, Part 2, L81-L84,January 1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の技術では、次のような問題があった。
（１）断面積が大きく、なおかつ断面上で一様な密度分布を持つプラズマ源の生成は困難である。
（２）スダレ状の電極を用いる方法では、プラズマと電極、あるいは容器壁との相互作用による不純物の混入が問題となる。
（３）バケット型では、プラズマの容器壁への損失の低減に限界があるため、断面方向の密度分布の不均一が現れる。
【０００４】
本発明は、上記従来の技術の問題点を解決することを目的とし、次の点を課題とする。
（１）広い断面上で密度が一様なプラズマ源を実現する。
（２）ターゲット面に垂直な速度成分が大きく、平行な速度成分が小さい、良質のプラズマを得る。
（３）プラズマ生成部とプラズマを利用するターゲット部が、各々の部分で最適の構成を採用可能とする。
（４）プラズマ生成部からターゲット板への、プラズマの流れを大きくして逆流を防止し、生成・移送されるプラズマの品質を、ターゲット板での処理状態とは関係なく、一定に保持する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するために、プラズマ発生部と、プラズマ移送部と、プラズマ導出部を備えているプラズマ源装置であって、上記プラズマ移送部は、異なったラセン度を持つ複数のヘリカル磁場コイルにより発生した複数の磁場を合成した多重ヘリカル磁場によるストキャスティックな磁力線構造を有し、上記プラズマ導出部は、末広がりの逆ミラー構造の磁力線構造を有することを特徴とするプラズマ源装置を提供する。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するために、プラズマ発生部から磁力線を用いてプラズマを引き出すプラズマ源の発生方法において、引き出し途中の磁力線の構造をストキャスティックにすることによって、引き出し方向に垂直な面上でのプラズマ密度分布を一様化するとともに、引き出し端部において、末広がりの逆ミラー構造の磁力線構造を用いることにより、引き出し部の断面積の増加と断面の形状の制御、並びに引き出されたプラズマの、引き出し方向に垂直な速度成分の低減を実現することを特徴とするプラズマ発生方法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成の本発明により、広い断面上で密度が一様なプラズマ源を実現することができる。さらにターゲットに入射するプラズマとして、ターゲット面に垂直な速度成分が大きく、平行な速度成分が小さい、良質のプラズマを得ることが可能である。
【０００８】
また、プラズマ生成部とプラズマを利用するターゲット部が、プラズマの移送部で分離されているので、お互いの間の相互作用を考慮することなく、各々の部分で最適の手法を用いることが可能である。特に、プラズマ生成部からターゲット板への、プラズマの流れを大きくすれば、プラズマ導出部から生成部への逆流はほとんど防止できるので、生成・移送されるプラズマの品質を、ターゲット坂上での処理状態とは関係なく、一定に保持することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係るプラズマ源装置の実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明に係るプラズマ源装置１の構成を説明する全体面図である。本発明に係るプラズマ源装置１は、磁力線の方向にプラズマ２を引きだすプラズマ発生部３、引きだされたプラズマ２を取り出すとともに、後述するストキャスティック磁場を用いてプラズマ２の密度を断面上で一様にするプラズマ移送部５、及び後述する逆ミラー磁場を用いてプラズマ２の断面を拡大するプラズマ導出部７を備えている。
【００１１】
プラズマ源装置１の左端には、真空排気装置４と図示されていない原料ガスの供給装置が接続され、真空容器１３内を高真空に排気するとともにプラズマ２の原料となるガスをプラズマ生発生部３に供給する。ただし、これらは、装置の右端、あるいは磁場コイルの間の真空容器１３の側面に取り付けることも可能である。さらに高周波電力供給装置により、プラズマ発生部３に高周波電力が供給される。
【００１２】
プラズマ発生部３は、磁場中でのプラズマ生成が可能な構成であればどのような構成でも良いが、できるだけ純粋な混じり気のないプラズマを生成する構成が望ましい。プラズマ発生部３のプラズマの圧力により、プラズマは磁力線方向に放出されるが、プラズマを送りだす方向と反対側の磁場強度を大きくしておくことにより、望む方向だけにプラズマを放出することができる。
【００１３】
具体的には、プラズマ発生部３は、図中左端（上流側）のソレノイド磁場部分８とプラズマ生成部９とから成る。左端のソレノイド磁場部分８では、プラズマ生成部９からこの部分へのプラズマ２の流入を避けるため、ソレノイド磁場コイル１０により生成した、本装置１全体の中で最も強い磁場を用いる。
【００１４】
次のプラズマ生成部９は、原料ガスを、高周波その他の方法により電離してプラズマ２を生成する。プラズマ２の生成を効率良く持続するために、この部分では両端にミラー磁場を用いてプラズマ２を一時的に閉じこめ、プラズマ密度の上昇を図る。ただし、ミラー磁場における、図中右端側のミラー磁場強度を左端側より小さくしておくことにより、右端側のミラー磁場を乗り越えてプラズマ移送部５へと流れ込むプラズマ流が生成される。
【００１５】
プラズマ移送部５は、このプラズマ源装置１の中核となるものであり、異なったラセン度を持つ複数のヘリカル磁場コイル１２が、プラズマ２を移送する真空容器１３の外部に設けられている。この複数のヘリカル磁場コイル１２に電流を流すことにより、複数の磁場を合成した多重ヘリカル磁場が形成される。この多重ヘリカル磁場は、複数のヘリカル磁場を重ね合わせることにより、ストキャスティックな磁力線構造を構成する。
【００１６】
図１において、プラズマ生成部９から取り出したプラズマ２を、このプラズマ移送部５のストキャスティックな磁力線構造に沿って流すことにより、プラズマ２がプラズマ導出部７に到達するまでに、流れの方向に直角な断面方向のプラズマ密度分布を一様化する。
【００１７】
なお、ヘリカル磁場の一般的な性質として真空容器１３に近いプラズマの外縁部ではヘリカル磁場の強度は大きくなる。
【００１８】
図１では、ヘリカル磁場コイル１２として３重のものをか示すが、必要に応じてもっと多数の異なるラセン度を持つ磁場コイルを使用することもできる。
【００１９】
また、各々のヘリカル磁場コイル１２に流す電流を、適当な位相関係で時間的に変動させることにより、一様性を向上することも可能である。
【００２０】
さらに、図１にはプラズマ移送部５が直線のものが示してあるが、必要に応じて図２に示すように両側に取り出し口のある円環系（トーラス状）のプラズマ移送部１４や半円形のもの等を使用することもできる。図２では、円環系（トーラス状）のプラズマ移送部１４の内部に一様なストキャスティック磁力線１５が発生する。
【００２１】
プラズマ導出部７は、次第に真空容器１３の口径が大きくなって、磁場強度が小さくなる磁場から構成される。このような磁場は、次第に口径が大きくなる一連の同心円状の逆ミラーコイル１６で生成することができる。この導出部７の先に磁力線に直角方向にターゲット板１８を設けて、必要な処理を行う。
【００２２】
具体的には、プラズマ導出部７は、移送部５を通って流れてきた、密度分布が一様になったプラズマ２を、逆ミラーコイル１６で発生された逆ミラー磁場内に導入してターゲット板１８に導く。プラズマ２は逆ミラー磁場の磁力線に添って広がりながら流れる。その結果、プラズマ移送部５と比べて格段に大きな断面を持つプラズマをターゲット板１８に照射することが可能である。
【００２３】
さらに、プラズマ２は逆ミラー磁場に沿って広がる間に、その磁力線に垂直方向の運動エネルギーが磁場に比例して減少し、その分、磁場に平行方向の運動エネルギーが増加するので、ターゲット板１８には、垂直方向運動成分が小さい、質の良いプラズマ流を照射できる。
【００２４】
簡単な計算から、導出部７の逆ミラー磁場のミラー比（逆ミラー磁場で最も強度の大きなところの磁場強度とターゲット１８板上の磁場強度の比）をＲとすると、導出部７に流入するプラズマ２の磁力線に垂直な速度成分がいかに大きくとも、ターゲット板１８上では垂直成分と平行成分の比はＲ-1の平方根の逆数を越えないことが示される。例えばミラー比が１０の場合には垂直成分と平行成分の比は１／３を越えない。
【００２５】
図１の下部に、プラズマ源装置１のプラズマ２の流れの方向に沿った、磁場強度の空間変化を模式的に示した。ソレノイド磁場コイル１０で生成されるソレノイド磁場が最も強く、プラズマ生成部９ではそれより弱い磁場を用いる。プラズマ生成部９と移送部５の間にはミラー磁場１１を形成するため、少し磁場の強いピーク２０が形成されるが、その強度は左端のソレイノド磁場部分８の磁場よりは弱い。
【００２６】
このピーク２０の下流にプラズマ移送部５のヘリカル磁場コイル１２で多重ヘリカル磁場を作る。この多重ヘリカル磁場の強度は、プラズマ周辺部で大きく、中心部で小さくなり断面上で一様ではないが、平均的にはプラズマ生成部９の磁場よりは弱い。さらに、プラズマ導出部７では、磁場強度はターゲット板１８に向かって次第に減少してゆく。ターゲット板１８には磁力線ができるだけ垂直に近い角度で入るようにコイル系を調整することが望ましい。
【００２７】
（作用）
以上の構成から成る本発明に係るプラズマ源装置１の作用について、以下に説明する。移送部５では、上述のとおり異なったラセン度を持つ複数のヘリカル磁場を合成した多重ヘリカル磁場により、ストキャスティックな磁力線構造が形成される。
【００２８】
プラズマは磁力線に沿って流れる性質を持つので、ストキャスティックな磁力線構造を有する移送部５を通過する間に、流れに垂直方向の断面上のプラズマの密度は一様化される。さらに、複数のヘリカル磁場コイル１２に流す各々の電流を、時間的に独立に適宜変動させることにより、時間的平均をとると、より高い一様性が得られるようすることも可能である。
【００２９】
また、ヘリカル磁場が容器壁面状で大きくなる性質を使えば、壁面付近からプラズマを排除することができ、プラズマ２と真空容器１３の器壁との接触を最小限に抑えることが可能である。
【００３０】
一方、導出部７においては、出口に近づくにつれて磁力線が拡がるので、プラズマ２が磁力線に沿って流れる性質を利用することにより、プラズマの断面積を増大することが可能である。また、出口に近づくにつれて磁場の強度も小さくなることから、プラズマ粒子の磁力線に垂直な方向の運動エネルギーを低減することが可能である。
【００３１】
これは、ゆっくりとした磁場変化に対しては、磁気モーメント（プラズマ粒子の垂直方向の運動エネルギーを磁場強度で割ったもの）が保存されるという性質（磁気モーメントの保存則）を利用したものである。
【００３２】
即ち、磁場強度の低下に比例して、垂直方向の運動エネルギーは磁力線方向の運動エネルギーに変換される。これにより、磁場方向にそろった運動方向を持つプラズマ流速を得ることが可能となる。
【００３３】
さらに、図１では導出部７のコイル断面形状が円状のものを想定したが、必要に応じてコイルの断面形状を楕円、正方形、あるいは矩形等の非円形なものとすることにより、プラズマの断面形状を同じように非円形にすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、広い断面上で密度が一様なプラズマ源を実現することができ、良質のプラズマを得ることが可能であるから、薄膜太陽電池用製膜、薄膜トランジスタ用製膜、Ｘ線源、等に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明に係るプラズマ源装置１の実施例の構成を説明する全体面図である。
【図２】図２は、本発明の実施例の一部構造の変形例を説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  プラズマ源装置
２  プラズマ
３  プラズマ発生部
４  真空排気装置
５  プラズマ移送部
７  プラズマ導出部
８  ソレノイド磁場部分
９  プラズマ生成部
１０  ソレノイド磁場コイル
１２  ヘリカル磁場コイル
１３  真空容器
１４  プラズマ移送部
１５  ストキャスティック磁力線部
１８  ターゲット板
１９  逆ミラーコイル
【図１】
2005158548.tif 000003
【図２】
2005158548.tif 000004