JPH0785437B2 - Plasma generation source by microwave excitation - Google Patents
Plasma generation source by microwave excitationInfo
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- JPH0785437B2 JPH0785437B2 JP61271908A JP27190886A JPH0785437B2 JP H0785437 B2 JPH0785437 B2 JP H0785437B2 JP 61271908 A JP61271908 A JP 61271908A JP 27190886 A JP27190886 A JP 27190886A JP H0785437 B2 JPH0785437 B2 JP H0785437B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマ・イオン・ラジカルの発生源として
使用される、マイクロ波励起による電子サイクロトロン
共鳴を用いたプラズマ生成源に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a plasma generation source using microwave-excited electron cyclotron resonance, which is used as a generation source of plasma ions radicals.
半導体LSIなど微細・高精細な製造技術として、プラズ
マ・イオンなどの活性化粒子を用いたエツチング,膜形
成,イオン注入技術が広く使われている。プラズマを発
生させるプラズマ生成源としては、種々の放電形式が検
討されているが、その中で、マイクロ波励起による電子
サイクロトロン共鳴を用いたプラズマ放電(ECR放電)
は、 低い圧力(1×10-5Torr以下)で放電可能であ
り、イオンの方向がそろうこと、 高密度プラズマが
発生できること、 無電極放電であるため寿命が長
く、活性ガスを使用できること等の優れた特徴を持つて
いるために注目されている。Etching, film formation, and ion implantation technology using activated particles such as plasma and ions are widely used as fine and high-definition manufacturing technology for semiconductor LSIs. Various types of discharge have been studied as a plasma generation source for generating plasma. Among them, plasma discharge using electron cyclotron resonance by microwave excitation (ECR discharge)
Is capable of discharging at a low pressure (1 × 10 -5 Torr or less), the ions are aligned in the same direction, a high-density plasma can be generated, and since it is an electrodeless discharge, it has a long life and can use active gas. It is attracting attention because it has excellent characteristics.
第2図に、従来のECR放電を用いたプラズマ生成源の基
本構成を示す。1はプラズマ発生室、2はマイクロ波導
入窓、3は導波管、4は磁気コイル、5はガス導入口、
6はプラズマリミツタ、7は引き出されたプラズマ流で
ある。プラズマ発生室1に、ガス導入口5よりガスを、
導波管3よりマイクロ波(例えば2.45GHz)をそれぞれ
導入し(図にはマイクロ波発振源、アイソレータ、整合
器、マイクロ波電力計を省略してある)、磁気コイル4
によつて、電子サイクロトロン共鳴(ECR)条件の直流
磁場(875ガウス)をマイクロ波電界に対して直角方向
に引火すると、これらの相互作用で、プラズマ発生室1
に導入されたガスはプラズマとなる。FIG. 2 shows the basic configuration of a conventional plasma generation source using ECR discharge. 1 is a plasma generation chamber, 2 is a microwave introduction window, 3 is a waveguide, 4 is a magnetic coil, 5 is a gas introduction port,
Reference numeral 6 is a plasma limiter, and 7 is an extracted plasma flow. Gas is introduced into the plasma generation chamber 1 through the gas inlet 5.
A microwave (for example, 2.45 GHz) is introduced from the waveguide 3 (a microwave oscillation source, an isolator, a matching device, and a microwave power meter are omitted in the figure), and a magnetic coil 4
Therefore, when a DC magnetic field (875 Gauss) under the electron cyclotron resonance (ECR) condition is ignited in a direction perpendicular to the microwave electric field, these interactions cause the plasma generation chamber 1
The gas introduced into the plasma becomes plasma.
このようなマイクロ波導入窓2を介してプラズマ発生室
内部にマイクロ波を導入するプラズマ生成源の構成にお
いては、プラズマ発生室1の空洞部は、マイクロ波を伝
播するように構成されている。これは、プラズマを生成
するために空洞室内の電子をマイクロ波で励起する必要
があり、そのためにはマイクロ波が空洞室内に伝播する
のが前提となることによる。In the configuration of the plasma generation source that introduces microwaves into the plasma generation chamber through the microwave introduction window 2 as described above, the cavity of the plasma generation chamber 1 is configured to propagate microwaves. This is because it is necessary to excite the electrons in the cavity chamber with microwaves in order to generate plasma, and for that purpose, it is premised that the microwaves propagate into the cavity chambers.
このように従来のプラズマ生成室の内径は、マイクロ波
を損失なく伝播させるのに必要な大きさを有していた。
例えば、円筒または矩形状の導波管をプラズマ生成室に
用いた場合、マイクロ波が伝播しない遮断周波数に対応
するマイクロ波の波長(遮断波長)λcはそれぞれ次式
で示される。As described above, the inner diameter of the conventional plasma generation chamber had a size required to propagate the microwave without loss.
For example, when a cylindrical or rectangular waveguide is used in the plasma generation chamber, the wavelength (cutoff wavelength) λ c of the microwave corresponding to the cutoff frequency at which the microwave does not propagate is expressed by the following equation.
λc=2a(矩形導波管のTE10モード、aは1辺の長さ)
……(1) λc=2πr/1.84(円筒導波管のTE11モード、rは半
径) ……(2) よつて、2.45GHzのマイクロ波に対して内径が7.15cm以
上の円筒導波管もしくは6.1cm以上の1辺(以下、この
ような内径および1辺の寸法を含めて径寸法という)を
有する矩形導波管(他の1辺の長さには制約はない)が
最小限必要であり、実際には、マイクロ波の伝播損失等
を考慮して、この値の1.6倍以上が必要とされていた。
すなわち、プラズマ生成室としては、円筒導波管を用い
るものとして約11cm以上の内径が必要である。λ c = 2a (TE 10 mode of rectangular waveguide, a is the length of one side)
…… (1) λ c = 2πr / 1.84 (TE 11 mode of cylindrical waveguide, r is radius) …… (2) Therefore, cylindrical waveguide with inner diameter of 7.15 cm or more for microwave of 2.45 GHz A tube or a rectangular waveguide having 6.1 cm or more on one side (hereinafter, such a diameter and the size of one side is referred to as a diameter dimension) (the length of the other side is not limited) is the minimum. It is necessary, and in actuality, 1.6 times or more of this value was required in consideration of the propagation loss of microwaves.
That is, the inner diameter of about 11 cm or more is required for the plasma generation chamber using the cylindrical waveguide.
このことは、マイクロ波導入用の導波管3についても同
様で、マイクロ波を損失なく伝播させるために、矩形導
波管を用いる場合なら、1辺が(1)式で決まる値の1.
6倍以上の寸法を有する導波管を用いることが必要とさ
れていた(例えば10.9×5.46cm,9.6×2.7cmの矩形導波
管が規格化されている)。This also applies to the waveguide 3 for introducing microwaves, and if a rectangular waveguide is used to propagate microwaves without loss, one side has a value of 1.
It was necessary to use a waveguide having a dimension more than 6 times (for example, a rectangular waveguide of 10.9 × 5.46 cm, 9.6 × 2.7 cm is standardized).
さらに、プラズマ生成室は、通常電界強度を高め、マイ
クロ波を効率的にプラズマに吸収させるため共振モード
構成がとられる。一般に、導波管における管内波長λn
は、 で表わされる。ここで、λcは式(1),(2)で示さ
れる遮断波長であり、λは使用するマイクロ波の波長で
ある。よつて、プラズマ生成室の空洞が小さくなり、λ
/λcが1に近づくにつれて、管内波長は長くなつてゆ
く。基本の共振モード(最低次数モード)の共振長は、
管内波長の半分であるから、空洞を細くすると共振モー
ド構成のプラズマ生成室は細長くなつてしまう。その結
果、所望の分布を得る磁気回路が複雑になつたり、プラ
ズマと管壁との衝突が多くなり、プラズマ密度の低下、
スパツタリングによる汚れなどにより高効率のプラズマ
生成が困難になると予測される。Further, the plasma generation chamber usually has a resonance mode configuration in order to increase the electric field strength and efficiently absorb microwaves in the plasma. In general, the guide wavelength λ n in the waveguide
Is It is represented by. Here, λ c is the cutoff wavelength represented by the formulas (1) and (2), and λ is the wavelength of the microwave used. Therefore, the cavity of the plasma generation chamber becomes smaller and λ
As / λ c approaches 1, the in-tube wavelength becomes longer. The resonance length of the basic resonance mode (lowest order mode) is
Since the wavelength is half the wavelength in the tube, if the cavity is made thin, the plasma generation chamber of the resonance mode configuration becomes elongated. As a result, the magnetic circuit that obtains the desired distribution becomes complicated, the number of collisions between plasma and the tube wall increases, and the plasma density decreases,
It is predicted that high efficiency plasma generation will be difficult due to contamination due to spattering.
今、目安として、基本共振モードでプラズマ生成室を構
成するとして空洞の軸長が内径Dより小さくなる条件を
試算すると、 (ただしAは矩形導波管で2、円筒導波管でπ/1.84) ここで、D0は使用するマイクロ波の波長を遮断波長とす
る導波管の内径である。したがつて、上述した観点から
すると、少なくともD0の1.3〜1.4倍の内径を有する導波
管が必要である。従来、ECRプラズマCVD装置やECRイオ
ンシヤワエツチング装置のプラズマ生成室は、通常直径
20cmのTE113共振モード構成の空洞で構成されていた
(例えばジヤパニーズ・ジヤーナル・オブ・アプライド
・フイジクス(Japanese Journal of Applied Phisic
s)22巻4号(1983)L210〜212)。Now, as a guide, when the condition that the axial length of the cavity is smaller than the inner diameter D is calculated by configuring the plasma generation chamber in the basic resonance mode, (However, A is 2 for a rectangular waveguide and π / 1.84 for a cylindrical waveguide.) Here, D 0 is the inner diameter of the waveguide whose cutoff wavelength is the wavelength of the microwave used. Therefore, from the above viewpoint, a waveguide having an inner diameter of at least 1.3 to 1.4 times D 0 is required. Conventionally, the plasma generation chamber of ECR plasma CVD equipment and ECR ion shower etching equipment usually has a diameter
It consisted of a 20 cm TE 113 resonant mode configuration cavity (for example, the Japanese Journal of Applied Phisic).
s) Vol. 22, No. 4, (1983) L210-212).
このように従来円筒状の空洞からなるプラズマ生成室に
矩形導波管を直結してマイクロ波を導入する構成では、
種々の条件を勘案して、使用するマイクロ波の周波数に
応じて決まる。そのマイクロ波を伝播させるのに必要な
最小寸法の1.6倍以上の径寸法が必要とされ、それより
小形のプラズマ生成源は実現されていなかつた。また、
実際上も、従来一般に使用されているLSI製造用の装置
としては、6〜8インチのように、使用するウエハのサ
イズが大きくなつてきているので、小形化の要求は特に
なかつた。As described above, in the configuration in which the microwave is introduced by directly connecting the rectangular waveguide to the plasma generation chamber formed of the conventional cylindrical cavity,
It is determined according to the frequency of the microwave to be used in consideration of various conditions. The size of the plasma was smaller than 1.6 times the minimum size required to propagate the microwave, and a smaller plasma generation source was not realized. Also,
Actually, the size of the wafer to be used has been increasing to 6 to 8 inches as a conventionally used apparatus for manufacturing LSI, so that there is no particular demand for downsizing.
しかしながら、マイクロ波励起によるプラズマ生成源は
今後種々の分野で使われる可能性が高まり、外形の小さ
な小形のイオン源の要求がでてきている。しかし、プラ
ズマ生成室内径の小形化の可能性をはじめ、マイクロ波
をプラズマ生成室に導入するマイクロ波導入用導波管の
大きさ、マイクロ波をプラズマと結合するマイクロ波結
合用開口の大きさ等、プラズマ生成源の小形化のための
検討は全く行なわれていない。However, the plasma generation source by microwave excitation is more likely to be used in various fields in the future, and there is a demand for a small ion source having a small outer shape. However, including the possibility of reducing the diameter of the plasma generation chamber, the size of the microwave introduction waveguide that introduces microwaves into the plasma generation chamber, and the size of the microwave coupling opening that couples microwaves with plasma. For example, no study has been made to reduce the size of the plasma generation source.
本発明は、マイクロ波励起によるプラズマ生成源、小形
化の一手段として、プラズマ生成室を導波管とした場合
におけるプラズマ生成室でのマイクロ波の管内波長をλ
n、プラズマ生成室の軸長をLとして、プラズマ生成室
がL<λn/2を満足する軸長を有する空洞からなり、導
波管がマイクロ波結合用開口側で、その遮断波長が誘電
体を充填しない状態に換算してマイクロ波の波長の1〜
1.2倍となる寸法を有している。According to the present invention, as a means for reducing the size of a plasma generation source by microwave excitation, the inside wavelength of the microwave in the plasma generation chamber when the plasma generation chamber is a waveguide is λ
where n is the axial length of the plasma generation chamber, the plasma generation chamber is a cavity having an axial length that satisfies L <λ n / 2, the waveguide is on the microwave coupling opening side, and the cutoff wavelength is dielectric. Converted to the state that the body is not filled,
It has 1.2 times the size.
このようにマイクロ波の波長の1〜1.2倍となる寸法で
も、マイクロ波は、僅かではあつてもプラズマ生成室に
伝播され、プラズマが生成する。しかも、いつたんプラ
ズマが生成されると、その部分は誘電率の高い誘電体
(プラズマ)で充填されたと等価になり、定常的にプラ
ズマが生成される。In this way, even with a size that is 1 to 1.2 times the wavelength of the microwave, the microwave is propagated to the plasma generation chamber even if only slightly, and plasma is generated. Moreover, when the plasma is generated, that portion becomes equivalent to being filled with a dielectric (plasma) having a high dielectric constant, and the plasma is constantly generated.
第1図は本発明の一実施例を示す構成図である。同図に
おいて、8はマイクロ波をプラズマ生成室に導入するマ
イクロ波導入用導波管、9はマイクロ波導入窓、10はマ
イクロ波をプラズマ生成室と結合するためのマイクロ波
結合用開口、11はプラズマ生成室、12は冷却水導入口
(本図では冷却水の排出口は省略してある)、13はガス
導入口、14は磁気コイル、15はプラズマリミツタ、16は
プラズマ流である。図にはマイクロ波整合器、マイクロ
波電力形、あるいはマイクロ波発振源、アイソレータな
どマイクロ波回路部分が図示されていないが、必要に応
じて使用することは勿論のことである。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In the figure, 8 is a microwave introduction waveguide for introducing microwaves into the plasma generation chamber, 9 is a microwave introduction window, 10 is a microwave coupling opening for coupling the microwaves with the plasma generation chamber, 11 Is a plasma generation chamber, 12 is a cooling water inlet (the cooling water outlet is omitted in this figure), 13 is a gas inlet, 14 is a magnetic coil, 15 is a plasma limiter, and 16 is a plasma flow. . Although the microwave matching section, the microwave power type, or the microwave circuit portion such as the microwave oscillation source and the isolator is not shown in the drawing, it is needless to say that they are used as necessary.
ここで、マイクロ波導入用の導波管8として、一辺の長
さが7cmで、他の辺の長さが2.7cm,2cm,1cmの3種の矩形
導波管を用いた。前述したように、このような小さな径
寸法の導波管は一般には用いられておらず、本実施例で
は、この導波管8を市販の導波管17(例えば9.6×2.7cm
の矩形導波管)と接続するために、テーパ導波管18を用
いている。これは、導波管8のみで構成しようとした場
合、その導波管自体の製作コストが高くつくとともに、
それに合わせて上述した各種のマイクロ波回路部品を特
別に作る必要が生じること、さらに、マイクロ波が導波
管の内壁で反射を繰り返して伝播されるために減衰が大
きく、プラズマ生成室まで高電力密度でもつて来ること
が必ずしも容易でなく、また導波管がマイクロ波を吸収
して過熱される不都合が生じるおそれがあることによ
る。すなわち、より大きな径寸法の市販の導波管で伝播
させ(したがつてその間のマイクロ波回路部品も市販品
が使える)、マイクロ波結合用開口側でテーパ導波管に
よりその径寸法を縮小した方が、導波管およびその他の
マイクロ波回路部品のコストが低く抑えられ、かつ容易
にマイクロ波の電力密度を高めることができる。Here, as the waveguide 8 for introducing microwaves, three types of rectangular waveguides having a side length of 7 cm and the other side lengths of 2.7 cm, 2 cm, and 1 cm were used. As described above, such a waveguide having such a small diameter is not generally used, and in this embodiment, the waveguide 8 is a commercially available waveguide 17 (for example, 9.6 × 2.7 cm).
The rectangular waveguide 18) is used to connect with the tapered waveguide 18. This is because the cost of manufacturing the waveguide itself is high if the waveguide 8 alone is used, and
In accordance with that, it is necessary to specially make the above-mentioned various microwave circuit parts, and further, since the microwave is repeatedly reflected and propagated on the inner wall of the waveguide, the attenuation is large, and high power is supplied to the plasma generation chamber. This is because it is not always easy to bring in the density, and there is a possibility that the waveguide absorbs microwaves and is overheated. That is, it propagates in a commercially available waveguide of a larger diameter dimension (thus, a commercially available microwave circuit component can be used between them), and the diameter dimension is reduced by a tapered waveguide at the microwave coupling opening side. In this way, the cost of the waveguide and other microwave circuit components can be kept low, and the microwave power density can be easily increased.
なお、本実施例では磁気コイル14、冷却水導入口12およ
びガス導入口13の配置等の都合上、テーパのない導波管
8を介在させた上でテーパ導波管18により市販の導波管
17に接続しているが、上述した説明からも明らかな通
り、導波管8を用いず、市販の導波管17により伝播され
たマイクロ波をテーパ導波管18を介して直接プラズマ生
成室に導入するものとしてもよいことはいうまでもな
い。In this embodiment, due to the arrangement of the magnetic coil 14, the cooling water inlet 12 and the gas inlet 13, the waveguide 8 having no taper is interposed, and then the commercially available waveguide 18 is provided by the tapered waveguide 18. tube
Although it is connected to 17, the microwave propagated by the commercially available waveguide 17 is directly used for the plasma generation chamber via the tapered waveguide 18 without using the waveguide 8 as is clear from the above description. It goes without saying that it may be introduced into.
また、プラズマ生成室11として9cm,8cm,7cmφの内径を
有する3種の円筒導波管を用いた。マイクロ波導入窓9
としては、8cmφの石英窓を用いた。このマイクロ波導
入窓9は、マイクロ波をプラズマ生成室に導入するばか
りでなく、プラズマ生成室11を真空に排気出来るように
真空封じする必要がある。そのため、マイクロ波結合用
開口10の大きさは、プラズマ生成室11の内径より小さい
ことは勿論のことであるが、真空封じ用のO−リング押
さえのため、マイクロ波導入窓9より2cm以上小さいこ
とが望ましい。この開口10の大きさとして、2.45GHzの
マイクロ波の伝播を遮断する大きさである6cm,4.5cm,3c
mφの3種を検討した。最も大きな9cmのプラズマ生成室
を用いた場合でも、磁気回路を含んだプラズマ生成源の
外形の大きさは17〜16cm以下であり、フランジを介して
装置の任意の場所に容易に設置できる大きさと重量であ
つた。さらに、同軸ケーブルを介して導波管にマイクロ
波を励起する同軸導波管変換器を用いれば、その使用法
はより簡便になる。As the plasma generation chamber 11, three types of cylindrical waveguides having inner diameters of 9 cm, 8 cm, and 7 cmφ were used. Microwave introduction window 9
A quartz window of 8 cmφ was used as The microwave introduction window 9 needs to be not only introduced into the plasma generation chamber but also must be vacuum-sealed so that the plasma generation chamber 11 can be evacuated to a vacuum. Therefore, the size of the microwave coupling opening 10 is, of course, smaller than the inner diameter of the plasma generation chamber 11, but is smaller than the microwave introduction window 9 by 2 cm or more because of the O-ring press for vacuum sealing. Is desirable. The size of this opening 10 is 6 cm, 4.5 cm, 3c, which is the size that blocks the propagation of microwaves at 2.45 GHz.
Three types of mφ were examined. Even if the largest plasma generation chamber of 9 cm is used, the external size of the plasma generation source including the magnetic circuit is 17 to 16 cm or less, and the size that can be easily installed at any place of the device through the flange. It was by weight. Furthermore, if a coaxial waveguide converter that excites microwaves in a waveguide via a coaxial cable is used, its usage becomes simpler.
このような構成において、マイクロ波導入用導波管8か
ら2.45GHzのマイクロ波を導入し、ガス導入口13よりガ
スをプラズマ生成室11に導入し、プラズマ生成室11の内
部にECR条件を満足する875ガウス以上の磁場を印加する
ことにより、プラズマが生成した。上述したように、マ
イクロ波導入用導波管8として、一辺が10.9cm,9.6cm
(規格品に相当し、従来のプラズマ生成源に用いられて
いた大きさ)に比較して遥かに小さな遮断波長に近い7c
mの矩形導波管を用いたが、長時間の使用に対しても加
熱時の問題はなにもなかつた。また、2.45GHzに対して
マイクロ波の遮断周波数に対応する円形導波管の直径は
7.15cmであるが、マイクロ波結合用開口10としてはそれ
以下の内径を有するもの(3cmφまで検討)を用いたに
もかかわらず、プラズマ生成源の特性に差異は認められ
なかつた。In such a configuration, microwaves of 2.45 GHz are introduced from the microwave introduction waveguide 8, gas is introduced into the plasma generation chamber 11 through the gas introduction port 13, and the ECR condition is satisfied inside the plasma generation chamber 11. A plasma was generated by applying a magnetic field of 875 Gauss or more. As described above, the microwave guiding waveguide 8 has a side of 10.9 cm and 9.6 cm.
7c, which is much smaller than the cutoff wavelength (comparable to the standard product and used for conventional plasma generation sources)
A rectangular waveguide of m was used, but there was no problem during heating even for long-term use. Also, the diameter of the circular waveguide corresponding to the cutoff frequency of microwaves for 2.45 GHz is
Although it was 7.15 cm, the microwave coupling opening 10 having an inner diameter smaller than that (thickness up to 3 cmφ was examined) was used, but no difference was observed in the characteristics of the plasma generation source.
このように、各構成部材を小形にしても、高性能のプラ
ズマ生成源を実現できることが見出されたが、これは、
一度プラズマが生成されるとその部分の誘電率はプラズ
マの誘電率となり、マイクロ波が導入されやすくなるた
めと考えられる。特に、マイクロ波結合用開口10の大き
さがマイクロ波を遮断するような大きさでもよいことが
見出されたことは重要である。すなわち、プラズマ生成
室11および導波管8は必然的にこのマイクロ波結合用開
口10の大きさ以上でなければならず、本発明において導
波管8を使用マイクロ波を伝播させるのに必要な最小寸
法まで小形化することも、マイクロ波結合用開口10がそ
れより小さくてよいことが前提となつている。なお、上
述したプラズマ生成のメカニズムから、一般にマイクロ
波結合用開口10の近傍の磁場を、プラズマの放電開始が
容易なECR条件を満足する磁場に設定していつたんプラ
ズマをを生成した後に、高密度プラズマ生成に最適な磁
場分布に調整するのが望ましい。Thus, it was found that a high-performance plasma generation source can be realized even if each component is made small.
It is considered that once the plasma is generated, the permittivity of that portion becomes the permittivity of the plasma and microwaves are easily introduced. In particular, it has been found that the microwave coupling opening 10 may be sized to block microwaves. That is, the plasma generation chamber 11 and the waveguide 8 must be larger than the size of the microwave coupling opening 10 inevitably, which is necessary in the present invention to propagate the microwave used. The miniaturization to the minimum size is also premised on that the microwave coupling opening 10 may be smaller than that. From the above-described mechanism of plasma generation, generally, the magnetic field in the vicinity of the microwave coupling opening 10 is set to a magnetic field that satisfies the ECR condition in which plasma discharge can be easily started, and after the plasma is generated, high It is desirable to adjust the magnetic field distribution to generate the density plasma.
本実施例のマイクロ波生成源は、次のような特徴を有す
る。The microwave generation source of this embodiment has the following features.
(A) マイクロ波を導入するマイクロ波導入導波管
8、さらにはプラズマ生成室11の小形化を図つているか
ら、同一のマイクロ波電力に対して電力密度が高くな
り、低マイクロ波電力で高密度のプラズマが得られる。
例えば、同軸ケーブルで電力を送電すると200W以上は困
難であり、このような場合には特に有効である。(A) Since the microwave introduction waveguide 8 for introducing microwaves and further the plasma generation chamber 11 are downsized, the power density becomes higher with respect to the same microwave power, and low microwave power is obtained. A high density plasma is obtained.
For example, if electric power is transmitted by a coaxial cable, it is difficult to achieve power of 200 W or more, and in such a case, it is particularly effective.
(B) プラズマ生成室11の空洞が小さくなつているた
め、プラズマの径方向を同一条件にする事が可能にな
り、径方向に均一なプラズマを得やすい。(B) Since the cavity of the plasma generation chamber 11 is small, it is possible to make the radial direction of plasma the same condition, and it is easy to obtain uniform plasma in the radial direction.
(C) プラズマ生成室は、共振モード構成でなくとも
高密度のプラズマが得られている。本実験では、プラズ
マ生成室11の軸長と内径をほぼ等しくしてイオン源を構
成している。すなわち、内径7cm,8cm,9cmのプラズマ生
成室に対して、軸長は管内波長の1/2より小さくなつて
おり、共振モード構成におけるよりも軸長は短かくなつ
ている。このように、小形で共振モードでない構成で良
好な結果が得られるのは、プラズマ生成室を小さくする
と、管内波長が長くなるため、マイクロ波の強電場領域
が拡がり、その領域でのマイクロ波のプラズマへの吸収
効率(変換効率)が大きくなるためと考えられる。よつ
て、プラズマ生成室に導入されたマイクロ波の最初の1/
2波長の間に、マイクロ波が高効率にプラズマに吸収さ
れるため、短い軸長のプラズマ室で高密度のプラズマが
生成される。(C) In the plasma generation chamber, high-density plasma can be obtained without the resonance mode configuration. In this experiment, the ion source is configured by making the axial length and the inner diameter of the plasma generation chamber 11 substantially equal. That is, the axial length is smaller than 1/2 of the in-tube wavelength with respect to the plasma generation chamber having the inner diameter of 7 cm, 8 cm, and 9 cm, and the axial length is shorter than that in the resonance mode configuration. In this way, good results can be obtained with a compact and non-resonant mode configuration.If the plasma generation chamber is made smaller, the wavelength inside the tube becomes longer, so that the strong electric field region of the microwave expands, and the microwave in that region is expanded. It is considered that this is because the absorption efficiency (conversion efficiency) to plasma increases. Therefore, the first 1 / th of the microwave introduced into the plasma generation chamber
Microwaves are highly efficiently absorbed by the plasma between the two wavelengths, so that high-density plasma is generated in the plasma chamber having a short axial length.
このような構成で、具体的には、大略以下に示す程度ま
で小形化が実現できる(使用マイクロ波が2.45GHzの場
合)。With such a configuration, specifically, downsizing can be realized to the extent shown below (when the microwave used is 2.45 GHz).
プラズマ生成室の大きさ:円筒導波管の使用を前提
にすれば、原理的に7.2cmφ程度まで可能であるが、実
験的に7cmφでも良いことを確かめた。よつて、ガス導
入、水冷を考慮してもプラズマ生成室の外形を9cm以下
にできる。Size of plasma generation chamber: Assuming that a cylindrical waveguide is used, theoretically, it is possible to reach up to about 7.2 cmφ, but it was experimentally confirmed that 7 cmφ is also acceptable. Therefore, even if gas introduction and water cooling are taken into consideration, the outer shape of the plasma generation chamber can be reduced to 9 cm or less.
マイクロ波導入用導波管のマイクロ波結合用開口側
における大きさ:原理的には、遮断波長がマイクロ波の
波長とほぼ等しくなる6.1×0.5cm程度まで可能であり、
導波管の肉厚、ねじ止め用のフランジを考慮すると外形
8cm程度まで可能である。7×1cmの矩形導波管を使用し
ても、外形を9cm以下にすることができる。Size of the microwave introducing waveguide on the microwave coupling opening side: In principle, the cutoff wavelength can be up to about 6.1 × 0.5 cm, which is almost equal to the microwave wavelength,
External shape considering the wall thickness of the waveguide and the flange for screwing
It can be up to 8 cm. Even if a 7 × 1 cm rectangular waveguide is used, the outer shape can be made 9 cm or less.
マイクロ波導入窓の大きさ:この窓はマイクロ波を
反射・吸収させないでプラズマ生成室に導入させるため
に、マイクロ波導入用導波管の開口部より大きい必要が
ある。その上、この窓の押さえ部分の大きさ、ガス導入
用パイプの通り場所などを考慮すると、この窓はプラズ
マ生成室の内径より小さいことが望ましい。よつて、こ
の2つの制約よりマイクロ波導入窓の大きさは7cm程度
である。Size of microwave introduction window: This window must be larger than the opening of the microwave introduction waveguide in order to introduce the microwave into the plasma generation chamber without reflecting or absorbing it. Moreover, considering the size of the holding portion of the window and the passage of the gas introduction pipe, it is desirable that the window be smaller than the inner diameter of the plasma generation chamber. Therefore, the size of the microwave introduction window is about 7 cm due to these two restrictions.
マイクロ波結合用開口の大きさ:プラズマ生成室の
真空封じのため、マイクロ波導入窓よりも2cm程度小さ
いことが望ましい。よつて、より5cm以下にすればよ
いが、実験の結果3cmにしてもよいことが確認されてお
り、前述したようにこれは大きな制約にならない。Microwave coupling opening size: It is desirable that the size is about 2 cm smaller than the microwave introduction window because the plasma generation chamber is vacuum-sealed. Therefore, it may be set to 5 cm or less, but as a result of experiments, it has been confirmed that it may be set to 3 cm, and this is not a big limitation as described above.
以上〜に基づき外形9cmφ(少し無理をすれば外形8
cmφ……例えば冷却水の除去、6.1cmのマイクロ波導入
用導波管の使用)のプラズマ生成源が実現できるから、
磁気コイルを含めても外形が14(〜13)cmφのプラズマ
生成源が構成できる。Based on the above, the outer diameter is 9 cmφ (the outer diameter is 8
cmφ ... For example, the removal of cooling water, the use of a 6.1 cm microwave introduction waveguide) can realize a plasma generation source,
Even including the magnetic coil, a plasma generation source with an outer diameter of 14 (~ 13) cmφ can be constructed.
なお、以上の説明ではマイクロ波導入用導波管8および
マイクロ波結合用開口10になにも充填されていない場合
について述べたが、これらの部分に誘電体を充填した構
成でもよいことは言うまでもない。導波管に充填する誘
電体の誘電率をεとすると、同一の周波数のマイクロ波
に対して誘電率εの1/2乗に逆比例して導波管の大きさ
を小さくできる。例えば、誘電率4の誘電体を充填する
と、大きさが半分の導波管と等価になる。使用できる誘
電体材料としては、石英(誘電率4),BN(同4),フ
オルススライト(同6.2),ステアタイト(同6),ア
ルミナ(同9)などがある。なお、この充填材の使用に
あたつては、プラズマとの接触に対して非脱ガス性・耐
熱性を要したり、真空封じをするための気密性・平坦性
を要する部分には石英、アルミナ等を用いることが望ま
しい。このように誘電体を用いる場合は、先に述べた
,は大きな制約条件で無くなるが、構造が複雑にな
るのみで、プラズマ生成源の寸法を実質的に小さくする
ことは殆どできない。In the above description, the case where the microwave introducing waveguide 8 and the microwave coupling opening 10 are not filled is described, but it goes without saying that these portions may be filled with a dielectric. Yes. When the permittivity of the dielectric material filled in the waveguide is ε, the size of the waveguide can be reduced in inverse proportion to the 1/2 power of the permittivity ε for microwaves of the same frequency. For example, filling a dielectric with a dielectric constant of 4 is equivalent to a waveguide that is half the size. Dielectric materials that can be used include quartz (dielectric constant 4), BN (4), forthulite (6.2), steatite (6), alumina (9). In addition, in using this filler, quartz is used for the part that requires non-degassing and heat resistance against contact with plasma, and that requires airtightness and flatness for vacuum sealing. It is desirable to use alumina or the like. When the dielectric is used as described above, the above-mentioned condition is eliminated under a large constraint condition, but the structure is only complicated, and the size of the plasma generation source cannot be substantially reduced.
以上、主としてプラズマ・ラジカルの生成源として用い
る場合について述べてきたが、本発明のプラズマ生成源
は、加速−減速構造の3枚電極構成のイオン引出し電極
系を用いれば高密度・大電流イオン源として有効であ
る。また、1枚電極・単葉メツシユ電極を用いれば、低
エネルギーイオンの生成源としても有効である。In the above, the case where it is mainly used as a plasma / radical generation source has been described. However, the plasma generation source of the present invention is a high-density / high-current ion source if an ion extraction electrode system having a three-electrode structure with an acceleration-deceleration structure is used. Is effective as. Further, if a single-electrode / single-leaf mesh electrode is used, it is also effective as a generation source of low energy ions.
本発明によれば、プラズマ生成室を導波管とした場合に
おけるプラズマ生成室でのマイクロ波の管内波長を
λn、プラズマ生成室の軸長をLとして、プラズマ生成
室がL<λn/2を満足する軸長を有する空洞からなり、
導波管がマイクロ波結合用開口側で、その遮断波長が誘
電体を充填しない状態に換算してマイクロ波の波長の1
〜1.2倍となる寸法にしたことにより、プラズマ生成源
を小形にすることができる。同一のマイクロ波電力に対
し、小形になつた分だけ電力密度が高くなり、プラズマ
生成室の管内波長が長くなるため、マイクロ波が高い効
率でプラズマに変換され、低消費電力で高密度のプラズ
マが生成できる。According to the present invention, when the plasma generation chamber is a waveguide, the microwave wavelength in the plasma generation chamber is λ n , the axial length of the plasma generation chamber is L, and the plasma generation chamber has L <λ n / Consisting of a cavity with an axial length that satisfies 2,
The waveguide is on the side of the microwave coupling opening, and its cutoff wavelength is converted to a state in which the dielectric is not filled, and is 1 of the microwave wavelength.
By making the size 1.2 times larger, the plasma generation source can be made smaller. For the same microwave power, the smaller the size, the higher the power density and the longer the wavelength inside the plasma generation chamber, so the microwave is converted to plasma with high efficiency, and the low power consumption and high density plasma Can be generated.
このように小形のプラズマ・イオン・ラジカルの発生源
として使用できるから、MBE装置・MOCVD装置・プラズマ
応用装置などに付加した複合装置で、表面反応の促進、
ドーピングの効率化等により、エツチング、膜形成技術
の高制御化が可能になる。また、加速−減速のイオン引
出し電極を設置することにより、小形の大電流イオン源
として使用できイオン注入装置用のイオン源として有望
であるとともに、1枚電極・単葉メツシユ電極を用いる
ことにより低エネルギーイオンの生成源としても有効で
ある。Since it can be used as a source of small plasma, ions, and radicals in this way, it accelerates the surface reaction with a complex device added to the MBE device, MOCVD device, plasma application device, etc.
By increasing the efficiency of doping, the etching and film forming technology can be highly controlled. Also, by installing an accelerating-decelerating ion extraction electrode, it can be used as a small high-current ion source and is promising as an ion source for an ion implantation device, and low energy can be obtained by using a single-electrode / single-leaf mesh electrode. It is also effective as a source of ions.
第1図は本発明の一実施例を示す構成図、第2図は従来
例を示す構成図である。 8……マイクロ波導入用導波管、10……マイクロ波結合
用開口、11……プラズマ生成室、13……ガス導入口、14
……磁気コイル、18……テーパ導波管。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a conventional example. 8 ... Waveguide for microwave introduction, 10 ... Microwave coupling opening, 11 ... Plasma generation chamber, 13 ... Gas inlet, 14
…… Magnetic coil, 18 …… Tapered waveguide.
Claims (3)
このプラズマ生成室にマイクロ波結合用開口を介してマ
イクロ波を導入する導波管とを備えたマイクロ波励起に
よるプラズマ生成源において、 前記プラズマ生成室を導波管とした場合における前記プ
ラズマ生成室での前記マイクロ波の管内波長をλn、前
記プラズマ生成室の軸長をLとして、前記プラズマ生成
室がL<λn/2を満足する軸長を有する空洞からなり、
前記導波管が前記マイクロ波結合用開口側で、その遮断
波長が誘電体を充填しない状態に換算して前記マイクロ
波の波長の1〜1.2倍となる寸法を有することを特徴と
するマイクロ波励起によるプラズマ生成源。1. A plasma generating chamber for generating plasma,
In a plasma generation source by microwave excitation provided with a waveguide for introducing microwaves into the plasma generation chamber through a microwave coupling opening, the plasma generation chamber when the plasma generation chamber is a waveguide wherein the guide wavelength of the microwave lambda n, the axial length of the plasma generating chamber as L in, consists cavity having an axial length of the plasma generating chamber satisfies L <λ n / 2,
The microwave is characterized in that the waveguide has a dimension such that the cutoff wavelength is 1 to 1.2 times the wavelength of the microwave when converted into a state in which the dielectric is not filled on the microwave coupling opening side. Plasma generation source by excitation.
側径寸法より大きい径寸法の第1の導波管と、前記第1
の導波管に接続されたテーパ導波管とを含むことを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載のマイクロ波励起によ
るプラズマ生成源。2. The first waveguide having a diameter larger than the diameter of the microwave coupling opening, and the first waveguide.
2. A plasma generation source by microwave excitation according to claim 1, further comprising a tapered waveguide connected to the waveguide of FIG.
長が誘電体を充填しない状態に換算して前記マイクロ波
の波長より小さい波長となる寸法を有することを特徴と
する特許請求の範囲第1項または第2項記載のマイクロ
波励起によるプラズマ生成源。3. The microwave coupling opening has a dimension such that its cutoff wavelength is a wavelength smaller than the wavelength of the microwave when converted into a state in which the cutoff wavelength is not filled with a dielectric material. A plasma generation source by microwave excitation according to item 1 or 2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61271908A JPH0785437B2 (en) | 1986-11-17 | 1986-11-17 | Plasma generation source by microwave excitation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61271908A JPH0785437B2 (en) | 1986-11-17 | 1986-11-17 | Plasma generation source by microwave excitation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63126197A JPS63126197A (en) | 1988-05-30 |
| JPH0785437B2 true JPH0785437B2 (en) | 1995-09-13 |
Family
ID=17506560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61271908A Expired - Lifetime JPH0785437B2 (en) | 1986-11-17 | 1986-11-17 | Plasma generation source by microwave excitation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0785437B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08293397A (en) * | 1996-04-22 | 1996-11-05 | Hitachi Ltd | Microwave plasma processing equipment |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60205951A (en) * | 1984-03-30 | 1985-10-17 | Hitachi Ltd | Microwave ion source for aluminium ion |
| JPS60243957A (en) * | 1984-05-18 | 1985-12-03 | Hitachi Ltd | microwave ion source |
| JPS617542A (en) * | 1984-06-22 | 1986-01-14 | Hitachi Ltd | microwave ion source |
-
1986
- 1986-11-17 JP JP61271908A patent/JPH0785437B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63126197A (en) | 1988-05-30 |
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