JPH0785437B2

JPH0785437B2 - マイクロ波励起によるプラズマ生成源

Info

Publication number: JPH0785437B2
Application number: JP61271908A
Authority: JP
Inventors: 康弘鳥居; 誠太郎松尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1986-11-17
Publication date: 1995-09-13
Anticipated expiration: 2010-09-13
Also published as: JPS63126197A

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。

〔従来の技術〕

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。

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。

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。

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）λ_ｃはそれぞれ次式
で示される。

λ_ｃ＝2a（矩形導波管のTE₁₀モード、ａは１辺の長さ）
……（１） λ_ｃ＝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。

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）。

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λ_ｎ
は、で表わされる。ここで、λ_ｃ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
／λ_ｃ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。

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）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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。

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。

〔問題点を解決するための手段〕

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＜λ_n/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。

〔作用〕

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。

〔実施例〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔発明の効果〕

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
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＜λ_n/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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマを発生させるプラズマ生成室と、
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λ_ｎ、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＜λ_n/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。
【請求項２】前記導波管が、前記マイクロ波結合用開口
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。
【請求項３】前記マイクロ波結合用開口が、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。