JP2005528755A - シート状プラズマの発生装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、プラズマを励起させるためのマイクロ波スペクトルのエネルギを発生させる手段を有し、前記手段が、マイクロ波エネルギの同軸アプリケータ（４）を有する少なくとも１つの基本プラズマ励起装置を含み、基本プラズマ励起装置の端部のうちの一方がマイクロ波エネルギの発生源（７）に接続され、その他方の端部（８）がハウジング内で励起されるガスに向けられている、プラズマ（１６）をハウジング内で発生させる装置に関する。この装置は、各基本プラズマ励起装置が、ハウジングの壁（３）内に配置され、各アプリケータが、チャンバの壁と実質的に同一面をなす中央コア（５）を有することを特徴としている。中央コアとチャンバの壁（３）の肉厚は、中央コアと同軸の空間（６）だけ互いに離隔されており、この空間は、少なくとも各アプリケータの端部のところでは誘電体（１４）で完全に満たされていて、誘電体がハウジングの壁の高さとほぼ同じ高さにあるようになっている。

Description

発明の詳細な説明

発明の一般的技術分野
本発明は、マイクロ波電力により励起される中位の圧力のプラズマを発生させるという一般的な技術分野に関する。

より詳細には、本発明は、プラズマの厚さと比較して大きな寸法のシート状の高密度プラズマを中程度の圧力又は中位の圧力範囲、即ち、約数十分の一Ｐａ〜数千Ｐａ、即ち、約数ミリトル（Ｔｏｒｒ）〜数十トルで発生させる技術に関する。（１トルは、１３３Ｐａにほぼ等しい）。

本発明は、多種多様な用途、例えば表面処理、例えば高速移動中の表面のクリーニング、とりわけプラズマ促進化ＣＶＤ（化学的気相成長法）によるダイヤモンド膜の蒸着に関する。

特に、本発明は、広い表面上に中位の圧力の一様なプラズマを用いる方法を必要とする用途について利点をもたらす。

先行技術
上述の用途の全てにおいて、チャンバ、例えば、用途が実施されるチャンバ内で事前に高密度且つ一様なプラズマを発生させることが必要である。

プラズマは、電子、イオン及び中性の粒子から成り、巨視的には電気的に中性の導電性ガス状媒体であることを思い起こすことができる。プラズマは、特に電子によるガスのイオン化により得られる。

一般に、プラズマＣＶＤによるダイヤモンド蒸着は、僅かの割合のメタンを含む水素プラズマ中で全圧が数十トル、基板温度が約６００〜８００℃以上の状態で実施される。

混合物は、ダイヤモンドをドープする前駆物質ガス又はダイヤモンドの成長度を変える不純物を更に含むのがよい。

ＣＶＤプラズマによりダイヤモンド膜を蒸着させるのに用いられるプラズマは一般にマイクロ波によって励起される。反応器内での励起に利用できる方法は２種類ある。

１）プラズマを表面波により励起させることができる。この種の励起装置の略図が、図１に示されている。プラズマ励起装置は、マイクロ波アプリケータ１を有し、その延長方向に誘電体管２が励起されるべきプラズマ３と直に接触した状態で固定されている。誘電体管には、ベルマウス（ラッパぐち）５を有し、このベルマウスは、マイクロ波及びプラズマを基板４に送り、基板４は、プラズマ３中に浸される。

２）キャビティタイプのマイクロ波アプリケータを用いることができる。この種のアプリケータの原理を示す略図が、図２に示されている。反応器１内において、プラズマ３がマイクロ波とキャビティを結合するために用いられるアンテナ２からの励起に応答してプラズマ３が発生する。プラズマ３を石英ドーム５の下で励起する。蒸着は、これ又ドーム５の下に配置され、プラズマ３中に浸されている基板４上に実施される。

紹介した２種類の励起法を用いると高密度（典型的には、１０^１２／ｃｍ^３）のガスを発生させることができ、それによりダイヤモンドを特に毎時数ミクロンの速度で直径が数センチメートルの基板上に蒸着させることができる。

しかしながら、上述の技術には欠点がある。

事実、これら２つの技術により生じるプラズマは、１００ｍｍ径の基板についてこれらの維持のためには数ｋＷの電力を必要とし、それ故これらダイヤモンド蒸着技術の主要な欠点は、反応器のスケールアップが困難であるということにある。

図１の表面波放出に関し、用いられるシリカ管５をマイクロ波アプリケータ１を越えてラッパ状に広げることによりプラズマの有効直径を増大させることができる。しかしながら、必要なマイクロ波電力密度は、冷却用液体を用いた場合には必ず誘電損失を生じさせるようなものである。この流体は、アプリケータ内において極めてコスト高の二重壁分配回路中を流れる。

さらに、この種の反応器のスケールアップは、達成可能な最大直径の観点において技術的な欠点を提起する。事実、ユニット発生器により送り出されるマイクロ波電力を実質的に増大させることはできない。２．４５ＧＨｚのＤＣモードで利用できるマイクロ波発生器は一般に、１２ｋＷを越えず、これは、上述の用途のためのプラズマを発生させるには不十分である。最後に、マイクロ波用途で用いられる単一伝搬モードの標準型矩形導波管は、欧州規格に合致した８．６ｃｍ以下の大きな側部を有している。

励起周波数を減少させ、９１５ＭＨｚのＩＳＭ（産業用、科学用及び医用）周波数を用いる解決策は、導波管の寸法（これは、周波数に反比例する）を増大させるのに役立つと共に最高３０キロワットのユニット電子電力出力を得るのに役立つ。

しかしながら、これは、完全に満足のいくものではない。事実、マイクロ波コンポーネント、例えば短絡プランジャ、インピーダンス整合器、電力測定のためのバイカプラ（by-coupler）の寸法形状が等価的に増大する。それ故、今や技術的限界に達し、取扱い可能な基板の最大直径は、約１００ｍｍから約１５０ｍｍまでの範囲にあると思われる。

キャビティタイプのマイクロ波アプリケータにより得られるマイクロ波放出に関し、同じ問題が生じる。

事実、キャビティのスケールアップには、一様なプラズマを基板のところに得ることができないマルチモードキャビティへの切換えか、或いはマイクロ波周波数を９１５ＭＨｚに減少させるかのいずれかが必要である。周波数の減少により、上述したのと同じ利点が得られるが、同じ欠点も生じる。したがって、最大直径が約１００〜１５０ｍｍの基板を取り扱うことができるに過ぎない。

発明の概要
本発明は、これら欠点を解決することを提案する。

特に、本発明は、１トル、換言すると、数ｍｍトル〜数十トルの圧力範囲で大きな寸法のスライス又はシート状のプラズマを発生させる技術に関する。

このスライス状又はシート状プラズマの発生は、マイクロ波によるガスの励起によって起こり、動作条件、即ち、各アプリケータに射出される圧力及びマイクロ波電力に応じて、プラズマを大量に発生させることができる。

この目的を達成するため、本発明は、プラズマをチャンバ内で発生させる装置であって、プラズマを励起させるためのマイクロ波スペクトルのエネルギを発生させる手段を有し、上記手段が、マイクロ波エネルギの同軸アプリケータを有する少なくとも１つの基本プラズマ励起装置を含み、該基本プラズマ励起装置の一端部がマイクロ波エネルギの発生源に接続され、その他端部がチャンバ内で励起されるガスに向けられている上記装置において、各基本プラズマ励起装置は、チャンバの壁内に配置され、各アプリケータは、チャンバの壁と実質的に同一面をなす中央コアを有し、中央コアとチャンバの壁の肉厚は、中央コアと同軸の空間だけ互いに離隔されており、この空間は、少なくとも各アプリケータの一方の端部のところでは誘電体で完全に満たされていて、上記誘電体がチャンバの壁の高さ位置と実質的に同じ高さ位置にあるようになっていることを特徴とする装置を提供する。

本発明は、単独で又は技術的に達成可能な任意の組合せ状態で以下の特性により有利に具体化される。

−誘電体は、耐火性であり、
−誘電体は、シリカの合金及び（又は）窒化アルミニウム及び（又は）アルミナで作られ、
−誘電体は、同軸空間全体を満たし、
−誘電体の長さは、誘電体中のマイクロ波の半波長の整数倍に等しく、
−誘電体とアプリケータの中央コアとアプリケータの内壁との間に挿入されたＯリングを有し、
−各Ｏリングは、同軸構造の内壁及び外壁に埋め込まれ、
−中央コアは、中央コア内に封入され、チャンバの壁と同一面をなす永久磁石内で終端し、
−チャンバの内壁の内部まで延びる誘電体プレートを有し、上記プレートは、プラズマ励起装置を完全に覆い、
−チャンバ壁内の各アプリケータを冷却する手段を有し、
−各アプリケータの中央コア内のアプリケータを冷却する手段を有し、
−プラズマの圧力は、約１ミリトルの値〜約数十トルの値の間にあり、
−複数のアプリケータを有し、アプリケータは、所望の圧力範囲について所望のアプリケータ密度が得られるようにするために、チャンバの壁内に２次元の網目状態で配置される。

本発明の他の特徴、目的及び利点は、以下の説明から明らかになり、以下の説明は、純粋に例示であって、本発明を限定するものではなく、添付の図面を参照して読まれるべきである。

発明の詳細な説明
図３は、プラズマを発生させる装置１の実施可能な一形態を示している。装置１は、従来通り、図示していないがそれ自体公知の多くのガス導入及びガス圧送装置を備えた密閉チャンバ３を有している。導入及び圧送装置は、イオン化されることが必要なガスの圧力をガスの種類及び励起周波数に応じて所望の値に維持するのに役立ち、この所望の値は、例えば、約数十分の一Ｐａ又は数千Ｐａ、即ち、約数ミリトル〜数十トルである。

従来通り、チャンバ３の壁は金属製である。

本発明のこの実施可能な形態によれば、発生装置１は、基本励起アプリケータ４を有する。

図４に示すこの実施形態の変形例によれば、プラズマ発生装置は、プラズマ１６を励起する一連の基本装置又はアプリケータ４を有する。アプリケータ４は、密度及びチャンバの内部圧力の関数として分布して配置されている。

本発明によれば、各基本プラズマ励起装置４は、チャンバ３の壁に付加され又は直接穿孔されたキャビティ６により包囲される中央コア５を有する同軸マイクロ波電力アプリケータから成る。

好ましくは、中央コア５とこれを包囲するキャビティ６には回転対称の関係がある。

アプリケータ４の端部のうち一方は、マイクロ波スペクトルの状態にあり且つチャンバ３の外部に位置するエネルギ源７に接続されている。

アプリケータ４の他端部８は、自由状態にあり、チャンバ３の内部で終端している。この他端部は、チャンバ３内に存在するガスと接触状態にある。

エネルギ源７から自由端部８へのマイクロ波エネルギの伝搬は、アプリケータの中央コアを包囲しているキャビティ６内で生じる。

一般に、各アプリケータ４の中央コア５は、水循環回路（図示せず）によって冷却される。

これと同様に、図３及び図４は、壁３のアプリケータ４相互間のスペース１２が一般に、水循環貫通路１３によって冷却されることを示している。

固体状態の誘電体１４が、中央コア５の周りでキャビティ６内に配置されている。誘電体１４は、実質的にチャンバ壁の高さ位置でアプリケータ４の自由端部８の側に配置されている。この誘電体は、チャンバ壁３から僅かに突き出ていてもよく、又は、チャンバ壁３の高さ位置に関し僅かに引っ込んでいてもよいが、誘電体は好ましくは、図５に示すようにプラズマと接触した状態で中央コア５の端部の高さ位置と実質的に同じ高さ位置にある。

一変形例によれば、誘電体は、中央コアとキャビティの内壁との間の空間全体を満たしてもよい。

好ましくは、誘電体の長さは、インタフェースのところでのマイクロ波の反射及び再構成を補償するために誘電体中のマイクロ波の半波長の整数倍に等しい。誘電体の長さｌは次式によって定められる。

〔数１〕
√（ε_ｒ）×ｌ＝ｋ×λ／２
上式において、ε_ｒは、誘電体の比誘電率、ｋは、整数、λは、真空中でのマイクロ波の波長である。

誘電体１４は有利には、「低損失」誘電体である。これは好ましくは、或る特定の意図した用途の高温に耐えるために耐火性である。誘電体は、合金、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び（又は）アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）及び（又は）シリカ（ＳｉＯ_２）で作られたものであるのがよい。

図３、図４及び図５中の矢印１５は、各アプリケータ４のキャビティ６中のマイクロ波の伝搬方向を表している。マイクロ波は、チャンバ３の内部に向かって伝搬し、このチャンバ３内に存在するプラズマ１６を励起する。

図４及び図５は、プラズマの形成に対するアプリケータ相互の間隔の影響を比較するのに役立つ。

ガス圧力が比較的低い場合に一様なプラズマを発生させるためには、単位面積当たりのアプリケータの密度が比較的低いことが必要である。事実、プラズマは、ガス圧力が高くない場合、容易に拡散する。この場合、プラズマを所与の寸法で発生させるにはアプリケータ４は１つしか必要でない。

これとは対照的に、ガス圧力が高ければ高いほどそれだけ一層プラズマが局所的に生じる。プラズマは、図４で分かるようにアプリケータが互いに遠すぎる場合、一様にはならないであろう。したがって、単位面積当たりのアプリケータの密度が比較的高いことが必要であり、アプリケータは又、できるだけ一様に分布して配置される。

これも又、誘電体をアプリケータの端部のところに配置し、この端部のところではこれから引っ込めない理由でもある。これにより、利用できる圧力範囲全体を通じ、アプリケータ内部（同軸ゾーン、使用側）でのプラズマの発生が回避される。

アプリケータ４を種々の網目状に配置するのがよい。

図６は、チャンバ３の内壁の正面図である。この図は、アプリケータ４の自由端部８の網目配置状態を示している。この正方形網目では、２つの自由端部８相互間の距離１７は、網目密度を定める。

図７は、２つの自由端部８相互間の同一距離１７に関し、図中符号１８で指示された六角形網目配置がアプリケータ４の単位面積当たりの高い密度を得るのに役立つことを示している。

密度が高いと、アプリケータ４の良好な一様性が得られ、その結果、それにより生じるプラズマの一様性が良好になる。単位面積当たり高いマイクロ波電力密度も又、アプリケータ４により与えられる最大電力で供給できる。

分かりやすくする理由で、図６及び図７は、アプリケータ４の２つの端部しか示していない。端部５は、中央コアから区別されており、誘電体１４も同様である。

非常に大きな寸法の一様なプラズマシート１６を得るために、まず最初に、マイクロ波電力をアプリケータ４全体を通じてできるだけ一様に分布できるようにすることが必要である。

この目的のため、アプリケータにより調節できるマイクロ波電力発生器を使用できる。例えば、各アプリケータについてトランジスタ化マイクロ波源を用いるのがよい。

また、単一のマイクロ波電力発生器を用い、次にこの電力を分割してこれを各アプリケータ４に分布させることも可能である。各アプリケータ４に投入されるマイクロ波電力を各アプリケータ４のすぐ上流側に配置されたインピーダンス整合器により容易且つ別個独立に調節できる。

蒸着又は処理方法の中には、投与表面が高温であることを必要とするものがある。低温を必要とする方法もある。

中央コア５だけでなく、２つのアプリケータ相互間に位置する部分１２も又、流体、特に水を用いる冷却回路によって冷却されることは思い起こされるべきである。

その結果、プラズマを構成するガスがチャンバ３の冷却状態の表面との接触により冷却され、次に投与表面を冷却することができる。

かくして、特にダイヤモンドの蒸着に関し、投与表面の独立加熱が得られる。

図８は、流体の循環により冷却された表面との接触状態にあるプラズマの冷却を回避するために、低損失誘電体プレート２０（例えばシリカのような材料）も又各アプリケータの冷却部分とプラズマとの間に挿入するのがよいことを示している。誘電体プレート２０は、アプリケータ４の自由端部８の一部又は全体を覆うのがよい。

図９は、Ｏリング２１がアプリケータ４の上流側（大気圧側）部分と下流側（プラズマ側）部分との間のシールとなることを示している。

Ｏリング２１は好ましくは、中央コア５内でチャンバ３の壁とグランド３′との間に埋め込まれ、マイクロ波の通過によるこれらの加熱を阻止するようになっている。さらに、この種の埋め込みは、良好な冷却を保証するのにも役立つ。というのは、これらは、壁３及び各中央コア５内に存在する冷却分配回路の恩恵を受けているからである。

図１〜図９に示す本発明の装置は有利には、中程度の圧力範囲（約数十分の一パスカル〜数千パスカル、即ち、数ｍｍトル〜数十トル）に適合する。

しかしながら、プラズマ励起のための本発明の利用を低圧範囲（約１０^−２トル）に拡張するため、この装置の変形例を提供できる。

図１０に示すこの変形例では、永久磁石２２が、アプリケータ４の中央コア５の端部のところに配置され、その永久磁化軸線は有利には、中央コアの軸線に沿って位置する。この磁石２２は、中央コア５内に封入されている。磁石の自由端部は実質的に、プラズマ１６と接触状態で壁３の自由端部の高さ位置のところにある。かかる永久磁石２２を用いると、プラズマをプラズマの封じ込め又は磁石の極の近くのＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）の存在により本発明によって考慮された低圧の範囲で開始させることが一層容易である。

各永久磁石２２は、従来通りのもの、例えば、サマリウム−コバルト、ネオジミウム−鉄−ホウ素又はバリウムフェライト及びストロンチウムフェライトで作られたものであってよい。

本願で開示されたプラズマ反応器は、圧力測定手段（図示せず）及び所望のプラズマ診断手段（図示せず）を有する。

これと同様に、本方法を実施するために用いられる基板ホルダは、加熱又は冷却手段並びに採用した方法に必要な基板を付勢する手段全て（連続、パルス化、低周波数又は高周波手段）を有する。

発明の効果
本発明によって得られる利点のうちの１つは、上述した技術によって得られるプラズマシートのスケールアップ及び本発明で特定される圧力範囲での高密度のプラズマの発生が可能になるということにある。

使用されるアプリケータは、１つだけでよい。

さらに、アプリケータの数の増大には制約がない。

アプリケータを任意の幾何学的形状に配置でき、チャンバの形状、特に円筒形に合わせることができる。

これと同様に、電力の分割を行った場合又はこれを行わない場合、必要数と同数の独立発生器によって、望まれる数と同数のアプリケータにマイクロ波電力を供給できる。

各アプリケータに同軸ケーブルを介して給電できる。というのは、各アプリケータに必要なマイクロ波電力は比較的低く、それ故装置全体の依存性が高いからである。

別の利点は、マイクロ波アプリケータの金属部分中の流体循環によりマイクロ波アプリケータの冷却が容易であるということにある。先行技術の表面波放出方式の場合のように誘電損失の低い流体を供給することは不要である。

最後に、先行技術の装置の場合よりもプラズマ／表面相互作用パラメータを制御することが容易である。

例えば、同軸マイクロ波アプリケータの正方形網目、例えば２センチメートル毎に配置された外側導体の内径が１６ｍｍの場合を考えると、各アプリケータの面積は、４ｃｍ^２である。この面積は、六角形構造の場合、約３．５ｃｍ^２に減少する。

例えばアプリケータ／投与表面相互間の距離により固定された厚さ２ｃｍのプラズマシートの場合、各アプリケータにより得られるプラズマの量は、正方形網目の場合８ｃｍ^３であり、六角形網目の場合７ｃｍ^３である。

アプリケータ１つ当たり２００ワットのマイクロ波電力の場合、プラズマに供給される最大電力密度は、正方形網目の場合２５ワット／ｃｍ^３であり、六角形網目の場合、２８．５ワット／ｃｍ^３である。

それにより、両方の場合において、正方形網目又は２５個のアプリケータについて１００ｍｍ×１００ｍｍの面積当たり最高５キロワットを印加することが可能であり、六角形網目についてはこれよりも僅かに大きな電力を印加することができる。

別の利点は、各基本アプリケータの構造が簡単であるということにある。

用いられるマイクロ波周波数は、重要ではなく、ＩＳＭ（産業用、科学用及び医用）周波数、例えば９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚ、或いは任意他の周波数を用いることが可能である。

上述したように先行技術の表面波タイプの励起アプリケータを示す図である。 上述したように先行技術のキャビティタイプのプラズマ励起反応器を示す図である。 単一のアプリケータを有する本発明の実施可能な一形態の断面図である。 複数のアプリケータを有する本発明の実施可能な一形態の断面図である。 アプリケータの構造の拡大図である。 アプリケータの正方形の２次元の網目の正面図である。 アプリケータの六角形の２次元の網目の正面図である。 誘電体プレートによる反応器壁の被覆状態を示す図である。 組合せ状態のＯリングの実施可能な形態を示す図である。 アプリケータの端部のところに設けられた永久磁石を有する本発明の実施形態の改造例を示す図である。

Claims (13)

1. プラズマ（１６）をチャンバ内で発生させる装置であって、プラズマを励起させるためのマイクロ波スペクトルのエネルギを発生させる手段を有し、前記手段が、マイクロ波エネルギの同軸アプリケータ（４）を有する少なくとも１つの基本プラズマ励起装置を含み、該基本プラズマ励起装置の一端部がマイクロ波エネルギの発生源（７）に接続され、その他端部（８）がチャンバ内で励起されるガスに向けられている前記装置において、各基本プラズマ励起装置は、チャンバの壁（３）内に配置され、各アプリケータは、チャンバの壁と実質的に同一面をなす中央コア（５）を有し、中央コアとチャンバの壁（３）の肉厚は、中央コアと同軸の空間（６）だけ互いに離隔されており、この空間は、少なくとも各アプリケータの一方の端部のところでは誘電体（１４）で完全に満たされていて、前記誘電体がチャンバの壁の高さ位置と実質的に同じ高さ位置にあるようになっていることを特徴とする装置。
2. 誘電体（１４）は、耐火性であることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 誘電体（１４）は、シリカの合金及び（又は）窒化アルミニウム及び（又は）アルミナで作られていることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 誘電体は、同軸空間（６）全体を満たしていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の装置。
5. 誘電体の長さは、誘電体中のマイクロ波の半波長の整数倍に等しいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の装置。
6. 誘電体（１４）とアプリケータの中央コアとアプリケータの内壁との間に挿入されたＯリング（２１）を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一に記載の装置。
7. 各Ｏリング（２１）は、同軸構造の内壁及び外壁に埋め込まれていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 中央コア（５）は、中央コア内に封入されていてチャンバの壁と同一面をなす永久磁石（２２）内で終端していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一に記載の装置。
9. チャンバの内壁の内部まで延びる誘電体プレート（２０）を有し、前記プレートは、プラズマ励起装置を完全に覆っていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一に記載の装置。
10. チャンバ壁内の各アプリケータ（４）を冷却する手段（１２）を有していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一に記載の装置。
11. 各アプリケータ（４）の中央コア（５）内のアプリケータを冷却する手段を有していることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一に記載の装置。
12. プラズマ（１６）の圧力は、約１ミリトルの値〜約数十トルの値の間にあることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一に記載の装置。
13. 複数のアプリケータ（４）を有し、アプリケータは、所望の圧力範囲について所望のアプリケータ密度が得られるようにするために、チャンバの壁内に２次元の網目状態で配置されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか一に記載の装置。

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