JP3745700B2

JP3745700B2 - マイクロ波プラズマ生成用アンテナ

Info

Publication number: JP3745700B2
Application number: JP2002093850A
Authority: JP
Inventors: 憲明木村
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003297756A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、マイクロ波プラズマ生成用電極に関し、更に詳細には大型液晶テレビ用ディスプレイに使用することのできる高品質の薄膜を化学的気相成長法（ＣＶＤ）により生成させる際に使用することのできるマイクロ波プラズマ生成用アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
半導体製造技術における製造時間の短縮はコストダウンに繋がるため、一回のＣＶＤを適用するプラズマ処理時間を短縮するため、マイクロ波を用いた高密度プラズマ生成技術の開発が要望されるており、その対象が次世代大型液晶テレビ用のディスプレイ装置製造のため、平面的に一様な高密度プラズマ発生技術が中核技術となるに至っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の高密度プラズマ発生技術としてラジアルラインスロットアンテナを用いたものが知られている。その従来技術として、例えば特開２００１−２２３０９８号公報に記載されたものは、同軸ケーブルの先端部に径を拡大し、且つ扁平とした円筒状に形成したものからなり、この扁平円筒の底面に複数のスロットを形成し、スロット面の前面にマイクロ波透過体(誘電体)で覆ったものが開示されている。
【０００４】
従来例による公知のスロット配置例として、例えば本明細書に添付の図１５に示すように、中心部に電波を供給し、外周部に電波吸収材(図示せず)を配置した同軸ケーブルから電波を供給するようにしたラジアルラインスロットアンテナ１がある。これら従来の方法は、前記公報にも指摘されているように、マイクロ波の半径方向の分布を一定にしにくいという欠点がある。
【０００５】
即ち、円盤の中心から注入されたマイクロ波が、一部は中心部スロットから放射され、残りが半径の大きくなる方向に伝播していくので、スロットの大きさを同じにすると半径の小さいところにあるスロットから多くのマイクロ波が放射され、半径の大きなところからは放射量が低減するので半径方向の一様性が得にくくなる。この欠点を解決するには、半径方向のスロットサイズを変えるなどの工夫が必要であるが、これはアンテナ特性がプラズマ密度に関係し、設計時にスロットサイズの半径方向分布を予測することは困難である。
【０００６】
そこで前記公報に開示された提案は、終端部をマイクロ波吸収体で閉塞した複数の導波路を同心円状且つ環状に配置し、導波路側壁にマイクロ波放射用スロットを所定間隔で複数配置し、その外側にマイクロ波透過体を配置したマイクロ波アンテナを用いたプラズマ処理装置に関するものである。
【０００７】
また特開２００１−２０３０９８号公報は前記従来型のラジアルラインスロットアンテナにおいて、スロットを誘電体板に無電解メッキによって形成した導体層にスロットを形成したものである。図示されたスロットはＴ状であり、いずれも半径方向に対して同じ方向に傾斜させて配置した図が示されている。
【０００８】
以上説明のマイクロ波用アンテナは導波路の終端部で反射が起こると導波管内マイクロ波強度分布が複雑になるためスロットの設計が複雑になるという問題があり、また前記終端部にマイクロ波吸収体を取り付けるとエネルギー効率が悪くなるという問題がある。
【０００９】
またラジアルラインスロットアンテナはその命名のとおりいずれも円形をしており、ウエハの製膜処理やエッチングには適しているが、例えば太陽電池、液晶ディスプレイなどの長方形薄膜の製造には適していない。
【００１０】
本発明者は、先に１ｍ×１ｍという大面積太陽電池用薄膜形成が可能な高周波アンテナを発明し、平成１４年９月１４日に特許出願した。この出願発明は、誘電体で絶縁被覆した複数の棒状アンテナを所定の間隔を開けて平面的に配置し、それぞれ互い違いに反対方向から給電するようにしたプラズマ生成用アンテナに関するものであり、記誘電体被覆の必要厚さ決定方法を提案した。
【００１１】
しかしながらこの棒状アンテナによる大面積プラズマ発生装置では、液晶ディスプレイ装置のような細部のプラズマガス濃度を制御し、しかも薄膜を生成させるために使用周波数を高くすることが困難である。
【００１２】
本発明は、前記のとおり大画面液晶ディスプレイ用薄膜生成用など細部にわたって制御された均一で高密度なプラズマを発生するため、周波数がマイクロ波帯域（ギガヘルツ帯域）の電力を用い、しかも生成するプラズマの断面形状を長方形状とすることができるマイクロ波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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するたもの本発明のマイクロ波プラズマ生成用アンテナは、プラズマ生成に、マイクロ波に共振する複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナを使用し、前記複数の素子を配列した前記アレイアンテナ表面を誘電体で被覆し、前記各素子ごとに、前記マイクロ波発生用の高周波電力を給電する伝送路のエネルギー供給網を形成し、前記複数の素子を平面状に配置したものである。
【００１４】
本発明に使用できるアンテナ素子は特に限定されないがが、例えばスロットアンテナ素子、マイクロストリップアンテナ素子などを使用することができる。
【００１５】
前記エネルギー供給網を形成する給電回路には特に限定はないが、例えば、高周波電源から供給された高周波電力をパワースプリッタにより順次均等に２分割し、複数の各アンテナ素子ごとに前記高周波エネルギー供給端を形成するカスケード式の給電回路とすることができる。
【００１６】
プラズマ処理用のガスの供給方法には特に限定はないが、平面状に多数配置したスロットにより均等にプラズマ発生用ガスを供給するには、プラズマ処理用のガスを前記アンテナの裏側に供給し、該アンテナを貫通する複数のガス供給路から該アンテナの前面側に供給することができる。
【００１７】
スロット幅をａ、誘電体の被覆厚さをｂ、被覆用誘電体の誘電率をε、マイクロ波の周波数をｆ、プラズマの周波数をｆ_p、電波の伝播速度をｃ₀としたとき、次の［数２］式（前記［数１］式と同じ）で定義されるインダクタンスＬ_m(ω)が負の値から正の値になるｂの値、即ちｂ _c 以上の被覆厚さとする。
【００１８】
【数２】

但しωは２πｆ、ωpは２πｆ_pである。
【００１９】
即ち、（１）式で表されるインダクタンスＬ_m(ω)は、ａとｂとの比の大小により、負の値をとることができ、この場合にはプラズマは生成できない。そしてインダクタンスＬ _m ( ω )が負の値から正の値になるｂの値、即ち前記臨界厚さｂ_c以上被覆厚さの場合にプラズマを発生することができる。
【００２０】
前記アンテナ素子を配置する層と給電回路を形成する層との間にギャップを設けることができる。この場合、この部分を貫通する前記ガス通路を金属パイプなどで形成し、ギャップ部分に蒸着ガスが進入しないようにすることが好ましい。またギャップ部分は導体でシールする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照する実施の形態を示し、本発明を具体的に説明する。
【００２２】
図1は第1実施の形態のマイクロ波生成用アンテナ(以下単にアンテナ)４をプラズマ処理装置５のチャンバ５ａに取り付け、例えばガラス板などの被処理材６の表面に化学的気相成長法（ＣＶＤ）により薄膜を生成させる装置の概要を示したものである。
【００２３】
アンテナ４の基本構造は、誘電体からなる基板７のギャップ８側に給電回路９（詳細は図２で説明）を、その反対側に導電層１０を配置し、前記ギャップ８の反対側には導体層１１にスロット３を形成し、その外側に誘電体１２を配置したものである。
【００２４】
そして第１実施の形態では、チャンバ５ａ内をアンテナ４によってガス分散室５ｂとプラズマ処理室５ｃとに分割し、ガス分散室５ｂ内の蒸着ガスをプラズマ処理室５ｃ内に導入する複数のガス通路１３をアンテナ４を貫通して形成した。
【００２５】
第１実施の形態のプラズマ処理装置５を大型液晶ディスプレイ用薄膜形成用として使用する場合には、真空ポンプ（図示せず）によってプラズマ処理室５ｃ内の真空度を通常１mmTorr〜１０Torrとし、被処理材６を加熱装置５ｄによって所定温度に加熱し、被処理材６の表面に薄膜を形成した。なお、図１に示す符号５ｅは試料台、５ｆはガス導入口、５ｇは真空排気口である。
【００２６】
アンテナの立体的構造を説明する前に、図２によってスロット３、給電回路９およびガス通路１３の平面的関係を説明する。図２において、各スロット３はいずれも２個づつ対にして一つのパワースプリッタ１４によって１本の伝送路９ａから分岐して供給する。そして、各パワースプリッタ１４（詳細は図１２により説明）に給電する伝送路９ａも亦、２分割型のパワースプリッタ１４により分割されたものであり、最終的に１本の伝送路に統合されてマイクロ波発生用高周波電源（いずれも図示せず）に接続するカスケード型の給電回路９を形成した。
【００２７】
図３に示す部分拡大図によってアンテナ４の構造を更に説明する。図３においてスロット３は前記説明のとおり導体層１１をエッチングなどにより形成し、スロット３にマイクロ波を供給する伝送路９ａの先端部９ｂがギャップ８を隔ててスロット３の所定位置に重なるように配置した。また導体層８は接地している。
【００２８】
スロット３の長さをマイクロ波の波長の１／２の長さとすると共振が起こり、電波として放射され、周囲に電離するガスが存在するとプラズマを発生させる。プラズマは導電性であるためスロットの両端が短絡される。したがって、導体層１１にプラズマ側に誘電体１２を被覆し、導体層１１をプラズマから絶縁することによりスロット３近辺の蒸着ガス中にマイクロ波を伝播させることができる。この場合、スロットラインを流れるマイクロ波とプラズマとの干渉の様子を図４に示すイメージ図によって説明する。なを、図３に示す符合１３ａはガス通路１３を形成する金属パイプである。
【００２９】
前記のとおり電波はスロット３の軸方向（以下スロットライン）に沿って伝播すると共に（図４Ａ）、直角方向に放射されプラズマ中にマイクロ波の侵入領域Ｐを形成する（図４ｂ）。スロットラインと直行する方向の前記マイクロ波侵入領域Ｐはスロット部分で深く、その他の部分では浅いものとなる（図４Ｃ）。
【００３０】
かかるマイクロ波侵入領域Ｐは、被覆している誘電体１２の厚さが薄すぎるとマイクロ波はスロット３に沿って伝播することができなくなり、また厚すぎると伝播は可能であるがプラズマ加熱の効率が悪くなる。即ち誘電体１２の厚さには臨界被覆厚さｔ_cがあり、この値よりやや厚めにすることが最も好ましい。以下この問題を順次説明する。
【００３１】
プラズマ加熱のマイクロ波周波数をfとする。高密度プラズマＣＶＤや高密度プラズマエッチングの場合、前記ｆの値は、生成するプラズマ周波数ｆｐより低いと仮定することができる。前記ｆ_pは次の数３式で算出することができる。
【００３２】
【数３】

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は真空の誘電率である。
【００３３】
本発明者による前記出願発明の棒状アンテナからなる大面積プラズマアンテナの数学的解析は、棒状アンテナ中を実際に電力が流れているので、直接数式モデルを作ることができた。それに対しスロットラインの数式モデルは、スロット３中を電力が流れていないので、次の手続によった。
【００３４】
即ち、スロット３には図５Ａに示す電界が実際に発生している。そこでこの電界を発生させる量として磁流Ｊ_m(z)を以下に説明する［数５］式によって定義し、電圧に対して磁圧ψ_m(z)を以下に説明する［数４］式により定義する。なおサフィックスｍは磁気についての量であること示しており、ｚは電波の伝播方向の座標を示す。
【００３５】
図５は、磁流Ｊ_m(z)と電界Ｅとの関をを示しており、これらの関係を数式モデルとして、図５Ｃに示すように磁流Ｊ_m(z)はスロット３の幅を直径とする円形の表面を均等に分散して流れるものとして扱い、図５ｃに示す円形断面磁流アンテナと生成しているプラズマとの関係を解析する際のモデルを図６に示す。
【００３６】
図６に基づく磁流路（断面）の伝送方程式を求めるため図７に示す積分路Ｃ₁，Ｃ₂を定義する。しかる後、♯１，♯２間の磁圧ψ_m(z)（磁気ポテンシャル）と、♯１の表面を流れる総磁流Ｊ_m(z)をそれぞれ［数４］式、［数５］式のように定義する。
【００３７】
【数４】

【００３８】
【数５】

但し式中サフィックスtは接線成分であることを示す。
【００３９】
以上の定義に基づいて伝送方程式を求めると次の[数６]式〜［数９］式が得られる。なお［数８］式は前記［数１］および［数２］と同じものである。
【００４０】
【数６】

【００４１】
【数７】

【００４２】
【数８】

【００４３】
【数９】

但しａは図７に示した磁流路の半径（スロット幅に同じ値）、ｂ（図６）の誘電体被覆半径、εは被覆誘電体の誘電率、μ₀は真空の透磁率、C₀は真空中の光速度、ωは２πｆ、ω_pは２πｆ_p、Ｆ(r)は［数１０］式で表される値、Ｋ₀(r)は変形ベッセル関数、ｌｎ(ｘ)は自然対数である。
【００４４】
【数１０】

［数８］式および［数９］式中の関数Ｆ(ｘ)をグラフに表すとｘが１以下と１以上とについて、それぞれ図８Ａおよび図８Ｂが得られる。
【００４５】
ここで注目すべきことは、［数８］式のＬ_m(ω)が、誘電体がない場合、即ちａ＝ｂのときに負の値になることである。ｂがａに比べて十分大きな値になればＬ_m(ω)は正の値になる。Ｌ_m(ω)が負の値のときにはアンテナに効率よくマイクロ波を給電することはできない。Ｌ_m(ω)が負から正になる臨界値ｂ_cが存在することを示している。
【００４６】
次にスロットライン伝送路について検討する。考察対象の磁流の流れる系においては、単位長さ当たりの直列インピーダンスをＺ_m、単位長さ当たりの並列アドミタンスＹ_mは［数１１］式、［数１２］式で与えられる。
【００４７】
【数１１】

【００４８】
【数１２】

このときの伝播定数γ、伝播速度ｖ、波長λは次のようになる。
【００４９】
【数１３】

【００５０】
【数１４】

【００５１】
【数１５】

アンテナ軸に沿った磁流分布は次のように表される。
【００５２】
【数１６】

［数１６］式の結果から、ｂ＜ｂ_cの場合γが正となり磁流分布は図９Ａのようになるため均一なプラズマの発生は望めない。ｂ＞ｂ_cの場合γが虚数となり、磁流分布は図９Ｂのように定在波を発生させることが可能となる。
【００５３】
次に磁流路の直径（実際はスロット３の幅）２ａを２ｍｍと０．２ｍｍとした場合について、誘電体１２の比誘電率を３および５(ガラスの値)、供給するマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚとした場合について、［数８］式からプラズマ周波数ｆ_pに対する誘電体１２の臨界厚さｔｃ＝（ｂ_c−ａ）を求めた結果を図１０Ａおよび図１０Ｂに示す。
【００５４】
以上のようにしてアンテナ４を設計するに当たり、［数８］式を用いることによりスロット３を被覆する誘電体１２の厚さｔの基礎数値を求めることができる。本発明に関わるスロットアンテナは、棒状アンテナによる前記先行発明と異なり、プラズマ周波数が高くなるほど必要とするスロットを形成する導体層１１を覆う誘電体１２の厚さｔが大きくなることである。
【００５５】
本実施の形態に使用したパワースプリッタ１４の構造は、図１２に示すように、インピーダンスの整合のために、パワースプリッタ１４部分の伝送路９ａの特性インピーダンスを、伝送路９ａの特性インピーダンスＺ₀の２の平方根倍となるように線幅を変化させ、更に前記特性インピーダンスＺ₀の２倍の特性インピーダンスのバランス用抵抗Ｒを、分岐した側の伝送路９ａ間に取り付けたマイクロストリップラインで構成した。またバランス用抵抗Ｒは、高温に耐えるように炭化ケイ素SiCなどの耐熱性抵抗体を使用した。なお、第１実施の形態で採用した標準インピーダンスは５０Ωである。
【００５６】
次に図１３によって本発明の第２実施の形態について説明する。第２実施の形態はマイクロ波電極としてストリップ３′を使用したマイクロスプリットアンテナによって実施したものである。図においてストリップ３′および伝送路９ａは、それぞれ誘電体７，１５に形成した導体層からエッチング手段などにより形成することができる。なお図中の符合１６は伝送路９ａとストリップ３′とを繋ぐ伝播路、１７は誘電体１５を積層した導体層である。伝送路９ａと導体層１７とは相互に絶縁されている。その他、図１〜３に示したものと同様の部材には同じ符合を付し、説明を省略する。また、図１３にはガス通路の図示を省略した。
【００５７】
ストリップアンテナによる電界生成形態は、図１４に示すように、２個のスロット３を対にした第１実施の形態の場合の様子との類似性が得られるが、誘電体１２の厚さの決定方法とは異なるが、空間的に一様なプラズマを生成させ、長方形断面のプラズマを容易に作成させることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のマイクロ波プラズマ生成用アンテナは、導体層に形成したスロットまたは導体層からなるストリップからなる電極をマトリクス状にプラズマ発生領域全面に配置し、その表面を誘電体で被覆し、多段式パワー分配回路からマイクロ波を発生させる周波数の高周波電力を供給し、前記電極によってマイクロ波を共振させることによりエネルギーを全ての電極に均等に分配するようにしたので、空間的に一様且つ長方形状のプラズマを容易に作成することができる。したがって、大型テレビなどの液晶ディスプレイ製造工程において、高品質な膜を高速に造ることができ、且つ製膜装置を必要最小限のサイズにすることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態によるマイクロ波プラズマ生成用アンテナをプラズマ処理装置に組み込んだ様子を概念的に示す縦断面図である。
【図２】図１に示すアンテナのスロット部分の構造を示す部分斜視図である。
【図３】図１に示すアンテナをプラズマ処理室側から順次上の層を除去し、アンテナの平面構造を示した平面図である。
【図４】誘電体でスロットラインを覆う異によりプラズマ中を伝播が伝播可能となる様子を説明するための説明図であり、Ａはスロットと伝播の伝播方向とが一致する様子を示す図であり、Ｂは生成したプラズマと誘電体およびスロットの位置的関係を模型的に示す図であり、Ｃは前記Ｂの横断面により示した図である。
【図５】誘電体の厚さとスロットとの関係を導くためのスロットアンテナのモデル化を行う仮定を示す図であり、Ａはスロットに発生した電界発生のようすを示す図であり、ＢはＡと等価の電界を発生させる磁流平板アンテナのモデルに置き換えた図であり、ＣはＢと等価の円柱形磁流アンテナモデルに置き換え、数式で扱えるように下た場合の図である。
【図６】図５Ｃに示す磁流路の表面を磁流が流れる場合の数式モデルの各量の関係を示す図である。
【図７】安定したプラズマ画発生している領域を基準磁位源とし、磁流の流路（伝送路）断面と２つの積分路の関係を示す説明図である。
【図８】［数８］式および［数９］式中に示す関数Ｆ(ｘ)を横軸にｘ値をとった場合の対数メモリによるグラフ図であり、Ａはｘが１以下の場合を、Ｂはｘが１以上の場合を示しｔがものである。
【図９】誘電体の厚さによる電波の電波パターンを示すグラフ図であり、Ａは電波が遮蔽されて伝播しない場合の図であり、Ｂは電波が遮蔽されなくてプラズマ中を伝播する場合の様子を示す図であり、図の矢印は伝播方向を示している。
【図１０】スロットアンテナの誘電層厚さのプラズマ周波数依存性を示す図であって、誘電率３の誘電体を使用し、且つスロット幅に一致するアンテナ直径を２ｍｍとした場合の値であり、Ｂはアンテナ直径を０，２ｍｍとした場合の値である。
【図１１】図１０に続く図であって、スロットアンテナの誘電層厚さのプラズマ周波数依存性を示す図であって、Ａは誘電率５の誘電体を使用し、且つスロット幅に一致するアンデナ直径を２ｍｍとした場合の値であり、Ｂはアンテナ直径を０.２ｍｍとした場合の値である。
【図１２】本発明の第１実施の形態に使用したパワースプリッタの回路構成を説明するための平面図である。
【図１３】本発明の第２実施の形態によるマイクロストリップアンテナの部分斜視図である。
【図１４】マイクロストリップアンテナは２素子スロットアレイアンテナと投下であることを示す斜視図である。
【図１５】従来例によるラジアルスロットラインアンテナのスロット配置の一例を示す平面図である。
【符号に説明】
３スロット
３′ ストリップ
４アンテナ(マイクロ波プラズマ生成用アンテナ)
６被処理材
９ａ伝送路
９ｂ先端部
１２誘電体

Claims

プラズマ生成に、マイクロ波に共振する複数のスロットアンテナ素子からなるアレイアンテナを用い、前記複数の素子を配列した前記アレイアンテナ表面を誘電体で被覆し、前記各素子ごとに、前記マイクロ波発生用の高周波電力を給電する伝送路のエネルギー供給網を形成し、前記複数の素子を平面状に配置したマイクロ波プラズマ生成用アンテナにおいて、前記誘電体の被覆厚さは、前記スロット幅をａ、前記誘電体の被覆厚さをｂ、前記被覆用誘電体の誘電率をε、前記マイクロ波の周波数をｆ、前記プラズマの周波数をｆ _p 、電波の伝播速度をｃ ₀ としたとき、次の［数１］式で定義されるインダクタンスＬ _m ( ω ) が負の値から正の値になるｂの値、即ちｂ _c 以上であることを特徴とするマイクロ波プラズマ生成用アンテナ。

但しωは２πｆ、ω p は２πｆ _p である。
プラズマ処理用のガスを前記アンテナの裏側に供給し、該アンテナを貫通する複数のガス供給路から該アンテナの前面側に供給するようにした請求項1記載のマイクロ波プラズマ生成用アンテナ。