JP4564213B2 - プラズマ生成用アンテナ及びｃｖｄ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大面積プラズマ生成用アンテナに関し、更に詳細には、例えば１ｍ×１ｍのような大きな面積に対して均一、且つ高い効率でプラズマを発生させ、プラズマを用いた化学蒸着（ＣＶＤ）、液晶製膜、半導体エッチングなどに適用できるプラズマ発生用アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファスタイプや結晶タイプの薄膜太陽電池は、既に様々な分野で利用されるに至っているが、クリーンエネルギー源として今後電力供給用として早期実用化が望まれていることは周知である。電力用薄膜太陽電池は、少なくとも１ｍ×１ｍという大きな面積の薄膜太陽電池が必要とされている。このような大面積のプラズマをアンテナを用いて生成するためには、従来は導体柱状アンテナをガス中に直接挿入して行うとしていたが、空間的に均一なプラズマを生成することが困難であり、高速且つ高品質で製造することのできる新たなプラズマ生成用アンテナの開発が必要とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば大型の薄膜太陽電池を製造する装置としてＥＣＲ（electron cyclotron reasonance）プラズマＣＶＤ装置を用いることが考えられる。しかしながら、大きな面積の蒸着面を得るプラズマを発生させるには、サイクロトロンに使用する磁場発生用のコイルと放射電波用のアンテナの配置が互に干渉するようになり実現困難であるという問題がある。
【０００４】
プラズマを発生させる別な手段としてアンテナだけでプラズマを発生させることが考えられる。しかしながらこの方法は、プラズマが電気の良導体であることから、アンテナに高周波を給電しても、給電口から先にエネルギーが伝播しないという現象（遮蔽効果）が生じる。しかも製造コストを下げるために製膜速度を向上させようとすればプラズマ密度を上げる必要があるが、そうすればますます前記遮蔽効果が大きくなる。
【０００５】
また、前記のような大型の蒸着面やエッチング面を得るには、使用周波数も従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置に使用されていた約１３ＭＨｚから、１ｍ×１ｍ程度の面積とすると約１００ＭＨｚと高くする必要がある。かかる高周波は波長がチャンバーサイズと同等あるいはそれ以下となるので、均一な電波強度を得ることが従来より困難となる。
【０００６】
本発明は、以上の問題に着目してなされたものであり、遮蔽効果の発生を防止し、大面積にわたり高密度且つより均一なプラズマを発生させ、例えば大面積の太陽電池、液晶のどの製膜や半導体その他のエッチングなどに適用することのできる大面積プラズマ生成用アンテナを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のプラズマ生成用アンテナは、半径がａ値である柱状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、高周波電流が供給される端部が交互に逆になるように互いに平行かつ平面状に配置すると共に、前記アンテナ素子の表面を、下記の式で定義される該アンテナ素子の単位長さ当たりの容量Ｃ（ω）における負号を含めた第２項を正の値にするｂ値である臨界値ｂｃを超える値から前記ａ値を差し引いた値と同じ厚さの誘電体で被覆してなることを特徴とするものである。

但し、変数及び関数Ｆ（ｘ）は次の通りである。

Ｋ _０ （ｕ）：０次のベッセル関数
ω＝高周波電流の角周波数
ω _ｐ ＝プラズマの角周波数
ε _０ ＝真空の誘電率
ε _ｒ ＝誘電体の誘電率
μ _０ ＝真空の誘電率
また、上記目的を達成するための本発明のＣＶＤ装置は、上記のプラズマ生成用アンテナを、蒸着ガスを導入するガス供給管と真空発生用の排気管とが取り付けられたチャンバー内に設置すると共に、前記プラズマ生成用アンテナの両側に蒸着用基板をそれぞれ配置してなることを特徴とするものである。
【０００８】
前記誘電体の素材としては、例えば石英やセラミックスなどである。但し本発明はこれらの例示材料に限定されない。
【０００９】
以下に前記アンテナ素子について、添付の図１により説明する。図１（Ａ）は、対向する導電体壁Ｗ _Ｌ 、Ｗ _Ｒ (いずれも接地されている）のそれぞれから同一長さのアンテナ素子Ｒを所定間隔だけ離し、反対方向に、且つそれぞれの自由端が対向する導電体壁Ｗ _Ｒ 、Ｗ _Ｌ から所定間隔ｈを開けて、導電体壁Ｗ _Ｌ 、Ｗ _Ｒ の壁面との干渉を避けるようにして配置したアンテナを形成した場合を図示したものである。
【００１０】
なお図１に示す符合ｗは、アンテナ素子Ｒの根元部を覆った金属部材（接地されている）であり、前記所定間隔ｈに対応する部分から電波が放射されないようにした、アンテナ素子Ｒの長さ調整用部材である。但し本発明にとって本質的ではなく、省略することができる。
【００１１】
図１（Ａ）に示したアンテナにおいて、アンテナ素子Ｒに長さの４／３倍の波長の高周波電流を供給し、定在波を形成させた場合を図示したものである。図１（Ｂ）の上段はアンテナ素子Ｒの自由端側が開放されている場合に形成される定在波であり、下段は、アンテナ素子Ｒの自由端側に電波を反射する導電体壁Ｗがある場合である。製膜、エッチングなどは通常減圧下に行われるので、図１（Ｂ）の下段、即ち図１（Ａ）に示した構成によって実施される。
【００１２】
以上の説明から理解されるようにアンテナ素子の長さＺは、アレイアンテナに供給する高周波の波長に対して、〔数１〕式によって与えられる。
【００１３】
【数１】

なお〔数１〕式中、ｎはゼロまたは正の整数を表す。
【００１４】
〔数１〕式で与えられるアンテナ素子の長さは、この長さを基準にアンテナ素子上に高周波の定在波が得られるよう、実際に即して決定すればよく、幾何学的に厳密な長さを指定するものではなく、実質的にこの値を満たすようにすればよい。
【００１５】
前記アンテナ素子の配置を面状にする場合、通常は平面状とするが、本発明はこれに限定されない。
【００１６】
前記アンテナ素子は導電体とすることが必要であり、一般に銅、アルミニウム、白金などを使用することができる。しかしながらこれらの例示された金属に本発明は限定されない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照するプラズマＣＶＤ装置によって実施した一実施の形態を示し、本発明を具体的に説明する。
【００１８】
図２, ３に示すＣＶＤ装置（以下単に装置）１は、本実施の形態の大面積プラズマ生成用アンテナ（以下単にアンテナ）２をチャンバー３内に配置し、その両側にガラスなどの蒸着用基板４をチャンバー３の金属製の壁面３ａに配置した基板台３ｂに取り付け、蒸着ガスを壁面３ａに開口するガス供給管５から装置１内に導入するようにしたものである。また使用する蒸着ガスは、蒸着目的によって一定しないが、太陽電池用としてはシランガスなどを用いることができる。
【００１９】
なお前記基板３ｂには基板４を加熱するための発熱体 (図示せず) が取り付けられており、また図２、３に示す符合３ｃは真空発生用の排気管である。以上説明した装置構造は、プラズマ蒸着装置の概要説明用の例示であり、これによって本発明を限定的に解釈されるべきではない。
【００２０】
アンテナ２は、複数のアンテナ素子６からなるアレイアンテナであり、各アンテナ素子６は、図２に示すように給電方向が交互に逆方向を向き、しかも互いに平行的（図２）且つ平面的（図３）に配置し、それぞれの極のアンテナ素子６に同相電力分配器７を配置し、ここからアンテナ素子６ごとに高周波電流を分配する。
【００２１】
アンテナ素子６は、図４に示すように電気良導体からなる棒状（パイプであってもよい）で、長さＳを使用高周波の波長λの（２ｎ＋１）／４倍（式中ｎはゼロ、または正の整数である）の長さとし、表面を誘電体８で被覆したもので、チャンバー壁３ａに開けた開口３ｄに電気的に絶縁して取り付け、高周波電流供給端６ａ側を、同軸フィーダー９の芯線９ａに接続したものである。なお図１，２に示すようにチャンバー壁３ａは接地されている。
【００２２】
図２、 ３において、排気管３ｂに接続した真空ポンプ（図示せず）を作動させてを通常１mmTorr〜１Torr程度の真空にしたチャンバー３内に蒸着用ガスを送り込み、アンテナ素子６に高周波電流を供給すると、図５に示すようにアンテナ素子６の周囲には交番磁場および電場が発生し、アンテナ素子６から周囲に電波が放射され、チャンバー３内に供給されたガスが電離してプラズマとなる。
【００２３】
この場合プラズマは導電性であるので、チャンバー３内にプラズマが充満して全体が導電性になると、放射された電波はプラズマに反射され、電波はアンテナ素子６の周辺に閉じ込められ、この部分にプラズマ加熱領域１０（図６）が限定されるようになる。
【００２４】
ところで、誘電体８の厚さをある値 (以下に説明する臨界値）以上とすると、電場および磁場がアンテナ素子の軸心方向（以下ｚ軸という）に垂直な面内（図６のｘ軸、ｙ軸を含む面）にあるＴＥＭモード(transverse electromagnetic mode) の電波がｚ軸方向に伝播する。以下この電波放射と誘電体被覆との関係について順次説明する。
【００２５】
プラズマ加熱のエネルギー源となる高周波電流の周波数をｆとすると、通常のプラズマＣＶＤ装置やエッチング装置などの場合、プラズマ周波数ｆp より低いと仮定することができる。なおｆp は〔数２〕式で与えられる。
【００２６】
【数２】

式中ｎ_e は電子の単位体積中の数、−ｅは電子の電荷、ｍ_e は電子の質量、ε₀ は真空の誘電率を表す。〔数２〕式を使用し電子密度ｎ_e とプラズマ周波数ｆp との関係を求めると図７がえられる。図７において、一般にプラズマＣＶＤに使用する電子密度は１０¹⁵〜１０¹⁷の範囲であるから、プラズマＣＶＤに使用するプラズマ周波数ｆp は、３００ＭＨｚ〜５ＧＨｚの範囲の値となることが分かる。
【００２７】
アンテナ素子６に沿った軸をｚ軸とし、位置ｚにおける中心の導体部分の電位をＶ(z) 、電流をＩ(z) で、表し、系の時間依存性をｅｘｐ(i ω t）と仮定する。ここでω＝２πｆであり、ｉは虚数（−１の平方根）を表す。このときアンテナ素子６に沿って伝播する電波の基礎方程式は単位長さ当たりのインダクタンスＬ(z) と容量Ｃ(z) を用いて電圧Ｖ(z) 、Ｉ(z) のｚ軸方向の変化を示すと、〔数３〕式、〔数４〕式のように表すことができる。
【００２８】
【数３】

【００２９】
【数４】

ここで、Ｌ（ω）は単位長さ当たりのインダクタンス、Ｃ（ω) は単位長さ当たりの容量を表す。
【００３０】
インダクタンスＬ（ω）と容量Ｃ（ω）とは更に誘電体に関する部分とプラズマに関する部分とに分けることができる。アンテナ素子６本体（導体部分）の断面形状を半径をａの円形とし、同様に誘電体８を被覆後の断面形状の半径をｂとすると、インダクタンスＬ（ω）および容量Ｃ（ω）はそれぞれ〔数５〕式、〔数６〕式で与えられる。
【００３１】
【数５】

【００３２】
【数６】

【００３３】
ここでε _ｒ はアンテナ素子６の誘電体８の誘電率、μ_０は真空の誘電率、Ｉｎは自然対数を表す。また、〔数５〕式を第１項と第２項との加算式としたときの第２項はプラズマが寄与する単位長さ当たりのインダクタンスを表し、〔数６〕式を第１項と第２項との減算式としたときの第２項（負号を含む）はプラズマが寄与する単位長さ当たりの容量を表している。
【００３４】
更に〔数５〕式および〔数６〕式中の関数Ｆ（ｘ）は〔数７〕式で与えられる関数である。
【００３５】
【数７】

ここでＫ₀ (u) は０次のベッセル関数であり、図８に〔数７〕式のｘとＦ（x)との関係を示す。
【００３６】
なお〔数６〕式の第２項の符号が負であることについては以降で説明する。
【００３７】
ｚ軸に沿って伝播する波動を〔数８〕式のように表すことができる。
【００３８】
【数８】

ここでγは伝播定数である。伝播定数γは、〔数３〕、〔数４〕から導いた〔数９〕式で与えられる。
【００３９】
【数９】

【００４０】
もしアンテナ素子に誘電体８の被覆が無かったとすると、中心導体（アンテナ素子６）の半径ａと誘電体８を被覆後の半径ｂとの関係はａ＝ｂとなり、Ｃ（ω）を与える〔数６〕式の分母の第１項は０となり、単位長さあたりの容量Ｃ（ω）は負になってしまう。
【００４１】
一方、前記「単位長さ当たりのインダクタンス」は常に正である。したがって〔数９〕式からγは正の数となる。このときアンテナ素子６の長手方向に沿って伝播する電波は、給電点からｚ軸方向に指数関数的に減衰し、波動として伝播しない。したがって、波長の（２ｎ＋１）／４倍の長さとしても共振はあり得ず、結果的に効率よくプラズマ中へのエネルギーを投入することができなくなる。この関係を図９に示す。
【００４２】
一方アンテナ素子６に誘導体８の被覆があると、〔数６〕式の第２項を正の値にすることができる。このとき、伝播定数γは虚数となり、アンテナ素子６に沿って電波が伝播するようになる。この値（臨界値ｂc ) より大きな誘電体８を被覆後の半径ｂを選べば、図１０に示すようにz 軸方向に高周波電流を伝播させることが可能となり、アンテナ素子６から電波を放射させることが可能となる。この場合、アンテナ素子６の長さを波長の（２ｎ＋１）／４倍とすることにより、アンテナ２が共振器として動作するようになる。
【００４３】
次に、誘電体８の被覆厚さとアンテナ素子６を流れる電流との関係を説明する。アンテナ素子６の長手方向の電流強度は、供給端が最も高く、先端部でゼロになる。したがって、それぞれ反対極のアンテナ素子６に、互に反対方向から高周波電流を供給し、それぞれが放射した電波が合成されて均一なプラズマが形成され、膜厚が均一な蒸着膜が得られることとなる。
【００４４】
ところで、前記誘電体８を被覆後の半径ｂが前記臨界ｂc を超える厚さにし、高周波電流をアンテナ素子６内に伝播可能にすると、反対極のアンテナ素子６のそれぞれに流れる電流強度Ｉａ、Ｉｂの減衰曲線は余弦曲線となり、エネルギーはその２乗に比例するから、電流強度Ｉａ、Ｉｂによるエネルギーの和は、正弦および余弦それぞれの２乗の和である１に比例する。即ち図１１（Ｂ）のグラフに示すようにアンテナ素子６の軸方向に対して常に平らとなり、生成するプラズマのチャンバー３内の空間密度を均一とすることができる。
【００４５】
前記臨界値ｂc から誘電体８の厚さｔc(＝ｂc −ａ）を求め、プラズマ周波数ｆp との関係を求めると図１２が得られる。プラズマの電子密度を１０¹⁶（１／ｍ³ ）とすると、プラズマ周波数ｆp はおよそ１ＧＨｚとなる。この値を図１２に入れると誘電体厚の臨界値ｔc はおよそ２ｍｍとなる。
【００４６】
以上の説明から明らかなように、本発明によって１ｍ×１ｍという従来実現できなかった大型の薄膜太陽電池、液晶の製膜やエッチングなどを効率よく行うことが可能となった。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の大面積プラズマ生成用アンテナは、アレイアンテナを構成する棒状アンテナ素子の表面を誘電体で被覆したことにより、放射電波エネルギーを効率よく電極周囲のガス中に放出することが可能となり、空間的に均質なプラズマを、可及的に高い密度で発生させることが可能となった。したがって、電力供給用として利用可能な大型の薄膜太陽電池の製造、液晶薄膜の製造、半導体などのエッチングその他各種の工業的用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明アンテナの基本形状を示し、それぞれアンテナ素子の自由端側を壁面Ｗ_R 側にした場合と、アンテナ素子の自由端側をＷ_L にした場合との対であることを示す図、（ｂ）はそれぞれのアンテナ素子上に生じる定在波を示す図である。。
【図２】本発明の一実施の形態によるプラズマ発生用アンテナを取り付けたプラズマＣＶＤ装置の内部構成の概要を説明するための平面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】図１に示す棒状アンテナ素子をチャンバー壁に取り付けた部分の様子を示す拡大部分断面図である。
【図５】図３のアンテナ素子の周囲にプラズマが発生している様子を説明するための部分拡大断面図である。
【図６】図４の直角方向断面図である。
【図７】電子密度ｎ_e とプラズマ周波数ｆp との関係を示すグラフ図である。
【図８】〔数７〕式のｘと関数Ｆ（x)との関係を示すグラフ図であり、（Ａ）はｘが０．０１〜１の場合のグラフであり、（Ｂ）はｘが１〜２０の場合のＦ（ｘ）の値を示す。
【図９】通常の導電体からなる棒状アンテナ素子を用いてプラズマを発生させる際の遮蔽効果を説明するグラフ図である。
【図１０】誘電体層の厚さｔがｔ_c より大きい場合にｚ軸方向に無限に電波が減衰することなく伝播することを示す図である。
【図１１】本発明の１／４λ長のアンテナ素子の長手方向の電流分布を最適化する方法の説明図であり、（Ａ）はアンテナ素子の断面図を、 （Ｂ）は最適化された分布を示すグラフ図である。
【図１２】誘電体の比誘電率を５. ０としたとき、アンテナ素子に進行波を給電可能にする限界誘電体被覆厚さを示すグラフ図である。
【符号の説明】
２ アレイアンテナ
６ アンテナ素子
８ 誘電体

Claims (3)

1. 半径がａ値である柱状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、高周波電流が供給される端部が交互に逆になるように互いに平行かつ平面状に配置すると共に、前記アンテナ素子の表面を、下記の式で定義される該アンテナ素子の単位長さ当たりの容量Ｃ（ω）における負号を含めた第２項を正の値にするｂ値である臨界値ｂｃを超える値から前記ａ値を差し引いた値と同じ厚さの誘電体で被覆してなるプラズマ生成用アンテナ。
   

   

   但し、変数及び関数Ｆ（ｘ）は次の通りである。
   

   

   Ｋ _０ （ｕ）：０次のベッセル関数
   ω＝高周波電流の角周波数
   ω _ｐ ＝プラズマの角周波数
   ε _０ ＝真空の誘電率
   ε _ｒ ＝誘電体の誘電率
   μ _０ ＝真空の誘電率
2. 前記アンテナ素子の長さを、前記高周波電流の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０又は正の整数）となるようにした請求項１に記載のプラズマ生成用アンテナ。
3. 請求項１又は２に記載のプラズマ生成用アンテナを、蒸着ガスを導入するガス供給管と真空発生用の排気管とが取り付けられたチャンバー内に設置すると共に、前記プラズマ生成用アンテナの両側に蒸着用基板をそれぞれ配置してなるＣＶＤ装置。

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