(57)【要約】【課題】  プラズマの高密度化と大面積化を両立させるためのマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成方法及び装置を提供する。【解決手段】  誘電体窓１０と誘電体板２を分離し、それぞれに機能を分担させ、プラズマ発生室となる真空容器１に小さな誘電体窓１０によって真空シールを行い、大面積の誘電体板２は真空側で金属壁９の内壁に装着し、大気側からスロットアンテナ５の前面の誘電体窓１０を通してマイクロ波を照射し、その周波数の表面波を大面積の誘電体板２に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生室となる真空容器に小さな誘電体窓によって真空シールを行い、大面積の誘電体板は真空側で金属壁の内壁に装着し、大気側からアンテナ前面の前記誘電体窓を通してマイクロ波を照射し、その周波数の表面波を大面積の誘電体板に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成することを特徴とするマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成方法。
【請求項２】
プラズマ発生室に導波管を介してマイクロ波エネルギーを供給してプラズマを発生させるプラズマの生成装置において、プラズマ発生室となる真空容器に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置し、前記誘電体窓は導波管の結合孔に対応させ、前記誘電体板は真空側で真空容器の上面を形成する金属壁の内壁に装着して成ることを特徴とするマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置。
【請求項３】
前記小面積の誘電体窓が複数設けられ、導波管の底面に細長いスロットを複数本切り、そこから真空シール用の誘電体窓を通して容器内にマイクロ波を入射することを特徴とする請求項２記載のマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置。
【請求項４】
誘電体材料としては、石英、アルミナ等の酸化物または窒化物、炭化物等であることを特徴とする請求項２記載のマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波放電を利用し大面積・高密度プラズマを生成させる方法及びそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、夜晶ディスプレイ（ＬＣＤ）や太陽電池には大面積の薄膜堆積・加工技術が求められている。液晶ディスプレイの場合、１メートル角（面積１ｍ2 ）の薄膜が低密度（〜１０10/ｃｍ3）の容量結合プラズマを用いて作製されている。
【０００３】
しかし、将来的には電子デバイスの大面積化は、需要面から見て必然的に要求され、３ｍ角程度の大面積（＞１０ｍ2）の薄膜が必要とされると共に、生産性および膜質の向上のために、従来に比し１桁上の高密度（＞１０11/ｃｍ3）のプラズマを用いる新技術の開発が求められている。
【０００４】
このような大面積薄膜のブラズマプロセスを実現するためには、プラズマの高密度化と大面積化の２つの課題を同時に達成しなければならない。現在は容量結合型の高周波放電が使用されており、大面積化はその従来技術の延長によって達成可能と見られているが、高密度化については、その達成は放電の原理からみて不可能に近い。
【０００５】
一方、同じ高周波放電でも誘導結合型の放電を用いれば高密度プラズマを得ることができるが、３メートル角ほどの大面積になると、放電には数１０個の放電アンテナと電源、整合器が必要となり、均一な密度分布を得るのは困難である。
【０００６】
また、高密度プラズマを得る他の方法として、図４に示すようなマイクロ波放電を利用する技術がある。図において、１はプラズマ発生室となる真空容器、２は真空容器の上面を形成する誘電体板、３は誘電体板をカバーする金属製シールド、４は導波管、５はスロットアンテナ、６は真空シール用のＯリングである。
【０００７】
このように構成されたプラズマ発生装置は、導波管４から導入されたマイクロ波が金属製シールド３の窓孔との結合によりマイクロ波照射アンテナ（通常、スロットアンテナ）５を形成し、該スロットアンテナ５から低圧力の反応性ガスで満たされた真空容器１の内に、大気側からアンテナ前面の誘電体窓を通してマイクロ波を照射し、その周波数の表面波を誘電体板２に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成する。
【０００８】
しかし、従来のこのようなプラズマ発生装置は、表面波伝搬用の誘電体板２そのものを用いてＯリング６を介して真空容器１の真空シールを行い、誘電体板２はスロットアンテナ５をカバーする誘電体窓も兼ねている。ここで、誘電体材料としては、石英、アルミナ等の各種酸化物が多く用いられ、この他に窒化物・炭化物等も使用可能である。
【０００９】
その結果、プラズマが大面積（大口径）になるにつれて、誘電体板にかかる大気の圧力が膨大になり、これに耐えるために必要な厚さ（１０〜２０ｍｍ）の分厚く高価な誘電体板が必要となる。例えば、石英円板を使用する場合、面積１ｍ2 となる直径のものでは８トンの力が加わるので７ｃｍ以上の厚さ、面積３ｍ2 となる直径のものでは７３トンの力に上昇するので２０ｃｍ以上の厚い石英板を使用しないと、大気と真空の圧力差に負けて石英板が割れてしまうことになる。
【００１０】
従来のプラズマ発生装置をより少し改良したものとして、図５に示すものも知られている。図において、図４と同一物には同じ符号を付している。１はプラズマ発生室となる真空容器、２は真空容器の上面を形成する誘電体板、３は誘電体板をカバーする金属製シールド、４は導波管、５はスロットアンテナ、６は真空シール用のＯリング、７は支持枠、８は金属製支柱である。
【００１１】
図５のプラズマ発生装置は導波管４が２つ設けられていて、夫々にスロットアンテナ５が形成され、低圧力の反応性ガスで満たされた真空容器１の内に、大気側からアンテナ前面の誘電体窓を通してマイクロ波を照射し、その周波数の表面波を夫々の誘電体板２に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成するものである。
【００１２】
このタイプのものは、２つのプラズマ発生装置によりプラズマが生成されるので、誘電体板２を図４のものより薄くすることが可能で、かつ大面積にする必要はないが、誘電体板２そのものを用いて真空容器１の真空シールを行い、誘電体板２はスロットアンテナ５をカバーする誘電体窓も兼ねているので、誘電体板には大気による大きな力が加わると共に、耐用期間が過ぎた後の交換も容易でなかった。
【００１３】
また、プラズマ発生室に複数の導波管を等間隔に平行配置すると共に、各々の導波管には先端側に向かって結合係数を順次大きくした結合孔を形成し、更に、プラズマ発生室には、各々の結合孔に対応して分割形成した誘電体窓を設け、結合孔各々からプラズマ発生室内に放射させて、一様な密度で高密度の大面積のプラズマを発生させるもので、誘電体板そのものを用いて真空容器の真空シールを行い、誘電体板はスロットアンテナをカバーする誘電体窓も兼ねているプラズマ発生装置は公知である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２８０１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
このように、従来の誘電体板そのものを用いて真空容器の真空シールを行い、誘電体板はスロットアンテナをカバーする誘電体窓も兼ねているプラズマ発生装置では、厚い高価な誘電体材料を必要とし、異常放電等で材料表面が破壊されたときやプラズマで損耗した際のメンテナンスとして、新しい誘電体板に交換することは安易にできないという問題があった。そこで本発明は、マイクロ波放電を採用することにより厚く高価な誘電体板を使用することなく、プラズマの高密度化と大面積化を両立させるためのマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成方法及び装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、この発明の請求項１に係るマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成方法は、プラズマ発生室となる真空容器に小さな誘電体窓によって真空シールを行い、大面積の誘電体板は真空側で金属壁の内壁に装着し、大気側からアンテナ前面の前記誘電体窓を通してマイクロ波を照射し、その周波数の表面波を大面積の誘電体板に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成するように構成した。
【００１６】
これにより、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置して夫々に機能を分担させ、マイクロ波放電を採用することにより厚く高価な誘電体板を使用することなく、プラズマの高密度化と大面積化を両立させることができる。
【００１７】
この発明の請求項２に係るマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置は、プラズマ発生室に導波管を介してマイクロ波エネルギーを供給してプラズマを発生させるプラズマの生成装置において、プラズマ発生室となる真空容器に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置し、小面積の誘電体窓は導波管の結合孔に対応させ、大面積の誘電体板は真空側で真空容器の上面を形成する金属壁の内壁に装着して構成した。
【００１８】
これにより、面積の小さな誘電体窓で真空シールをし、面積の大きい誘電体板は、真空側で金属壁の内壁に装着することにより、真空容器の壁に加わる大気の圧力はこの金属製の壁が支えることになり、誘電体板には大気による力が全く加わらないので、薄くて安価な誘電体板を使用でき、耐用期間が過ぎた後の交換も容易になる。
【００１９】
この発明の請求項３に係るマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置は、プラズマ発生室に導波管を介してマイクロ波エネルギーを供給してプラズマを発生させるプラズマの生成装置において、プラズマ発生室となる真空容器に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置し、小面積の誘電体窓が複数設けられ、その各々の誘電体窓は導波管の底面に細長い複数本のスロットを切った結合孔に対応させ、そこから真空シール用の誘電体窓を通して容器内にマイクロ波を入射させ、大面積の誘電体板は真空側で真空容器の上面を形成する金属壁の内壁に装着して構成した。
【００２０】
これにより、導波管の底面の複数つの細長いスロットに対応する真空シール用の誘電体窓を設け、そこを通して容器内にマイクロ波を入射することにより、誘電体板の表面に沿って表面波が伝搬し、均一な大面積プラズマを生成できることができる。
【００２１】
この発明の請求項４に係るマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置は、プラズマ発生室に導波管を介してマイクロ波エネルギーを供給してプラズマを発生させるプラズマの生成装置において、プラズマ発生室となる真空容器に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置し、小面積の誘電体窓は導波管の結合孔に対応させ、大面積の誘電体板は真空側で真空容器の上面を形成する金属壁の内壁に装着して構成し、誘電体材料としては、石英、アルミナ等の酸化物または窒化物、炭化物等で構成した。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、誘電体窓と誘電体板を分離し、それぞれに機能を分担させる。即ち、面積の小さな誘電体窓で真空シールをし、面積の大きい誘電体板は、真空側で金属壁の内壁に装着することにより、真空容器の壁に加わる大気の圧力はこの金属製の壁が支えることになり、誘電体板には大気による力が全く加わらないので、薄くて安価な誘電体板を使用でき、耐用期間が過ぎた後の交換も容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、プラズマの高密度化と大面積化を両立させるため、マイクロ波放電を採用し、プラズマ発生室となる真空容器に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓と、大面積の誘電体板を分離配置し、小面積の誘電体窓は導波管の結合孔に対応させ、大面積の誘電体板は真空側で金属壁の内壁に装着して、誘電体窓と誘電体板を分離し、それぞれに機能を分担させる。即ち、面積の小さな誘電体窓で真空シールをし、面積の大きい誘電体板は、真空側で金属壁の内壁に装着する。
【００２４】
次に、本発明のの実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明のマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置の構成図である。図において、１はプラズマ発生室となる真空容器、２は真空容器の上面を形成する誘電体板、４は導波管、５はスロットアンテナ、６は真空シール用のＯリング、９は金属壁、１０は誘電体窓である。
【００２５】
プラズマ発生室に導波管を介してマイクロ波エネルギーを供給してプラズマを発生させるプラズマの生成装置において、プラズマ発生室となる真空容器１に、真空シールを行なう小面積の誘電体窓１０と、大面積の誘電体板２を分離配置し、小面積の誘電体窓１０は導波管４の結合孔に対応させスロットアンテナ５を形成し、大面積の誘電体板２は真空容器１の上面を形成する金属壁９の真空側の内壁に装着してプラズマの生成装置を構成する。
【００２６】
そして、プラズマ発生室となる真空容器１に小さな誘電体窓１０によって真空シールを行い、大面積の誘電体板２は真空側で金属壁９の内壁に装着し、大気側からスロットアンテナ５の前面の誘電体窓１０を通してマイクロ波を低圧力の反応性ガスで満たされた真空容器１に照射し、その周波数の表面波を大面積の誘電体板２に沿って伝搬させて高密度プラズマを生成する。
【００２７】
このように、誘電体窓１０と誘電体板２を分離し、それぞれに機能を分担させる。即ち、面積の小さな誘電体窓１０で真空シールをし、面積の大きい誘電体板２は、真空側で金属壁９の内壁に装着することにより、真空容器１の壁に加わる大気の圧力はこの金属製の壁９が支えることになり、誘電体板２には大気による力が全く加わらないので、薄くて安価な誘電体板を使用でき、耐用期間が過ぎた後の交換も容易になる。
【００２８】
次に、実際の実施例として、軸方向（ｚ方向）の長さ１ｍ、横方向（ｘ方向）と縦方向（ｙ方向）の長さ０.３ｍの直方体形状の金属真空容器の中に、マイクロ波放電によって１ｍ×０.３ｍの大きな面積をもつプラズマの生成を試みた。
【００２９】
図２、図３は、その装置のｘｚ面内の断面図を模式的に示している。周波数２.４５ＧＨｚ、電力０.３−１.０ｋＷのマイクロ波をＴＥ１０モードの矩形導波管（断面サイズ：９６ｍｍ×２７ｍｍ）に沿って導入する。この導波管の底面に細長いスロット（幅３０ｍｍ、長さ１ｍ）を複数（この例では２本）切り、そこから真空シール用の誘電体窓（材質：石英、幅１５−３０ｍｍ、長さ４０ｍｍ）を通して容器内にマイクロ波を入射する。使用したガスはアルゴンで、圧力は０.２Ｔorrである。
【００３０】
図２のように、石英板（厚さ１０ｍｍ、幅３０ｃｍ、長さ１ｍ）を金属壁内面に装着したところ、横方向（ｘ方向）にも一杯までプラズマが広がることが見い出された。これは、誘電体板を設置したことにより、その表面に沿って表面波が伝搬し、プラズマが作られるようになったためである。この実験は、わずか１０ｍｍの薄い石英板を金属容器内面に設置することにより、均一な大面積プラズマを生成できることが実証している。
【００３１】
これに対して、図３は金属壁（厚さ４０ｍｍ）そのままの状態でマイクロ波を入射した比較例であり、プラズマはスロットアンテナ直下の誘電体窓に付着いた形で局在し、そこから横方向に広がることはない。即ち、約３ｃｍの幅で長さ１ｍの細長いプラズマが２本発生することが確認され、目的とした均一な大面積プラズマを生成することはできなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のマイクロ波放電によるプラズマの生成方法及びそのための装置は、大面積・高密度プラズマを必要とする電子工学、電子デバイス作製装置、プラズマ応用装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のマイクロ波放電による大面積・高密度プラズマの生成装置の構成図。
【図２】本発明の実施例図。
【図３】本発明との比較実施例図。
【図４】従来のマイクロ波放電によるプラズマの生成装置の構成図。
【図５】従来のマイクロ波放電によるプラズマの生成装置の他の構成図。
【符号の説明】
【００３４】
１            真空容器（プラズマ発生室）
２            誘電体板
３            金属製シールド
４            導波管
５            スロットアンテナ
６            真空シール用のＯリング
７            支持枠
８            金属製支柱
９            金属壁
１０          誘電体窓
【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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