JP2805009B2 - プラズマ発生装置及びプラズマ元素分析装置 - Google Patents
プラズマ発生装置及びプラズマ元素分析装置Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
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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、マイクロ波電力を励起源とするプラズマ発
生装置及びプラズマ元素分析装置に関するもので、例え
ば、半導体素材のエッチングやデポジション、表面処理
や表面改質、元素分析における発光やイオン源として、
さらに光反応用の高輝度短波長光源等として用いること
のできるマイクロ波励起プラズマ発生装置及びプラズマ
元素分析装置に関する。
生装置及びプラズマ元素分析装置に関するもので、例え
ば、半導体素材のエッチングやデポジション、表面処理
や表面改質、元素分析における発光やイオン源として、
さらに光反応用の高輝度短波長光源等として用いること
のできるマイクロ波励起プラズマ発生装置及びプラズマ
元素分析装置に関する。
従来のマイクロ波（1GHz以上）電力を用いたプラズマ
発生手段については、（１）レビュー・サイエンティフ
ィック・インスツルメント（Rev.Sci.Instrum）,36,3
（1965）,294〜298頁，（２）アイ・イー・イー・イー
・トランザクション・オブ・プラズマ・サンエンス（IE
EE Trans.of ・Elect.Plasma Sci.）,PS−3,2（1975）,
55〜59頁，（３）レビュー・サイエンティフィック・イ
ンスツルメント（Rev.Sci.Instrum.）,39,11（1968）,2
95〜297頁などにおいて論じられていた。
発生手段については、（１）レビュー・サイエンティフ
ィック・インスツルメント（Rev.Sci.Instrum）,36,3
（1965）,294〜298頁，（２）アイ・イー・イー・イー
・トランザクション・オブ・プラズマ・サンエンス（IE
EE Trans.of ・Elect.Plasma Sci.）,PS−3,2（1975）,
55〜59頁，（３）レビュー・サイエンティフィック・イ
ンスツルメント（Rev.Sci.Instrum.）,39,11（1968）,2
95〜297頁などにおいて論じられていた。
一方、数100MHz以下の高周波電力を用いたプラズマ発
生手段については、例えば、（４）フィリップス・テク
ニカル・レビュー（Philips Tecn.Rev・）,23,2（197
3）,50〜59頁などで論じられていた。
生手段については、例えば、（４）フィリップス・テク
ニカル・レビュー（Philips Tecn.Rev・）,23,2（197
3）,50〜59頁などで論じられていた。
なお、数MHzから数10GHzの高周波電力でプラズマを発
生させるプラズマ発生装置は、米国特許第3663858号及
び第3980855号には開示されている。
生させるプラズマ発生装置は、米国特許第3663858号及
び第3980855号には開示されている。
上記文献（１），（２）及び（３）の、マイクロ波電
力を用いた従来技術は、構造が複雑で寸法等に制約があ
り、マイクロ波電力の利用率の向上やプラズマの大口径
化、高密度化およびその径方向分布の最適化、さらに励
起マイクロ波電力の増大等については配慮されておら
ず、プラズマや物理量（密度など）とその生成効率、デ
ポジションに用いた場合に得られる膜材質等の特性とス
ループット、元素分析等に用いた場合の分析機器におけ
る感度及びコスト等に問題があった。
力を用いた従来技術は、構造が複雑で寸法等に制約があ
り、マイクロ波電力の利用率の向上やプラズマの大口径
化、高密度化およびその径方向分布の最適化、さらに励
起マイクロ波電力の増大等については配慮されておら
ず、プラズマや物理量（密度など）とその生成効率、デ
ポジションに用いた場合に得られる膜材質等の特性とス
ループット、元素分析等に用いた場合の分析機器におけ
る感度及びコスト等に問題があった。
一方、上記文献（４）の、高周波電力を用いた従来技
術は、発振器等の構造が複雑で、高周波電力の利用率や
電波障害対策およびコスト等に問題があった。
術は、発振器等の構造が複雑で、高周波電力の利用率や
電波障害対策およびコスト等に問題があった。
なお、マイクロ波励起プラズマ発生装置は、外導体と
中導体とで円筒同軸導波管を形成し、非導電性放電管を
内導体の内側に配置し、外導体と内導体との間にマイク
ロ波電力を印加する。また、プラズマの発生やその閉じ
込めを良くするために、外導体の外側に磁場発生手段を
設けることもある。該プラズマ発生装置の放電管に発生
したプラズマと化学的あるいは物理的に反応するガスや
試料を反応室系に導入し、反応室系内に配置した材料に
プラズマプロセシングを行う。あるいは、放電管に発生
したプラズマからイオンや中性粒子の少なくとも一方を
選択的に取り出して反応室系に導入し、反応室系内の材
料の表面処理や表面改質を行う。あるいは、放電管に発
生したプラズマから少なくともイオンを質量分析器に導
入して分析し、あるいは発光を分光器に導いて元素分析
する。あるいは、放電管に発生したプラズマから放射さ
れる短波長光を用いて光化学反応を行わせる。
中導体とで円筒同軸導波管を形成し、非導電性放電管を
内導体の内側に配置し、外導体と内導体との間にマイク
ロ波電力を印加する。また、プラズマの発生やその閉じ
込めを良くするために、外導体の外側に磁場発生手段を
設けることもある。該プラズマ発生装置の放電管に発生
したプラズマと化学的あるいは物理的に反応するガスや
試料を反応室系に導入し、反応室系内に配置した材料に
プラズマプロセシングを行う。あるいは、放電管に発生
したプラズマからイオンや中性粒子の少なくとも一方を
選択的に取り出して反応室系に導入し、反応室系内の材
料の表面処理や表面改質を行う。あるいは、放電管に発
生したプラズマから少なくともイオンを質量分析器に導
入して分析し、あるいは発光を分光器に導いて元素分析
する。あるいは、放電管に発生したプラズマから放射さ
れる短波長光を用いて光化学反応を行わせる。
本発明の目的は、上記した従来技術での問題点を解決
し、高密度、大口径、均一で不純物の少ないプラズマを
安定に高効率で発生することのできるマイクロ波励起プ
ラズマ発生装置を提供することにある。
し、高密度、大口径、均一で不純物の少ないプラズマを
安定に高効率で発生することのできるマイクロ波励起プ
ラズマ発生装置を提供することにある。
上記目的は、円筒状外導体とヘリカルコイル状内導体
とで円筒同軸導波器を形成し、非導電性放電管の少なく
とも一部を上記内導体の内側に配置し、上記外導体と内
導体との間にマイクロ波電力を印加する構成とすること
により、達成される。
とで円筒同軸導波器を形成し、非導電性放電管の少なく
とも一部を上記内導体の内側に配置し、上記外導体と内
導体との間にマイクロ波電力を印加する構成とすること
により、達成される。
励起用電源にマイクロ波を用いるとともに、円筒同軸
導波器の内導体をヘリカルコイル状の内導体として、そ
の内側に放電管を設けてプラズマを発生させる構成は、
ヘリカルコイル状内導体がトランスの一次側コイルとし
て動作し、一方、プラズマはトランスの二次側コイル
（巻回数１ターン）として等価的に動作する。
導波器の内導体をヘリカルコイル状の内導体として、そ
の内側に放電管を設けてプラズマを発生させる構成は、
ヘリカルコイル状内導体がトランスの一次側コイルとし
て動作し、一方、プラズマはトランスの二次側コイル
（巻回数１ターン）として等価的に動作する。
それによって、内外の導体の寸法や形状は自由に設定
することができるようになるので、使用目的に応じた口
径のプラズマを、簡単な構成で得ることができる。ま
た、外導体はシールドケースとしても作用する。
することができるようになるので、使用目的に応じた口
径のプラズマを、簡単な構成で得ることができる。ま
た、外導体はシールドケースとしても作用する。
さらに、プラズマ中を流れる放電電流I2は、前記一次
側コイルを流れる励起電流I1と励起周波数ｆとの積に比
例する（I2∝ｆ・I1）ので、放電電流I2を大きくするた
めには、励起周波数ｆを大きくすることが有効である。
したがって、高周波（100MHz以下）を用いるよりマイク
ロ波（1GNz以上）を用いる方が放電電流I2を、I1を一定
とした場合も、10倍以上大きくすることができ、高密度
・高温のプラズマが効率よく得られるとともに高輝度光
源としても使用できる。
側コイルを流れる励起電流I1と励起周波数ｆとの積に比
例する（I2∝ｆ・I1）ので、放電電流I2を大きくするた
めには、励起周波数ｆを大きくすることが有効である。
したがって、高周波（100MHz以下）を用いるよりマイク
ロ波（1GNz以上）を用いる方が放電電流I2を、I1を一定
とした場合も、10倍以上大きくすることができ、高密度
・高温のプラズマが効率よく得られるとともに高輝度光
源としても使用できる。
また、表皮厚さ（スキン・デプス）δは励起周波数ｆ
の平方根に反比例して となるので、ｆの大きいマイクロ波を用いる方が、δは
小さくなり、プラズマの周辺部に大きな放電電流が流れ
ることになり、プラズマの周辺部ほど外向きの電界強度
E0が大きくなり、特に高圧力領域でドーナツ状またはト
ロイダル状のプラズマを効率よく発生するように作用す
る。一方、低圧力領域では、上記E0は拡散損失を補うの
で、大口径で均一なプラズマになるように作用する。
の平方根に反比例して となるので、ｆの大きいマイクロ波を用いる方が、δは
小さくなり、プラズマの周辺部に大きな放電電流が流れ
ることになり、プラズマの周辺部ほど外向きの電界強度
E0が大きくなり、特に高圧力領域でドーナツ状またはト
ロイダル状のプラズマを効率よく発生するように作用す
る。一方、低圧力領域では、上記E0は拡散損失を補うの
で、大口径で均一なプラズマになるように作用する。
以下、本発明の実施例を第１図〜第６図を用いて説明
する。
する。
第１図は、本発明の基本となるマイクロ波励起プラズ
マ発生系の断面図及び上面図を示す。本実施例のプラズ
マ発生系は、円筒状外導体30と、ヘリカルコイル状内導
体（銅などの線またはパイプを２〜10ターンぐらい、例
えばピッチ0.5cm,内径１〜10cmに、コイル状に巻回した
もの）20と、石英ガラスなどからなる放電管10と、同軸
導波管変換器40とが図示のように配置される。なお、マ
イクロ波電力を効率よくヘリカルコイル状内導体20に伝
送するために、同軸導波管変換器40のＥ面の寸法を定形
寸法より小さくして特性インピーダンスを小さくすると
ともに、その入力側に1/4波長変成器50を設けて同軸部
の特性インピーダンスと一致させたり、また、反対側に
プランジャー60を設けてマッチングを取るとよい。ま
た、同軸導波管変換器40の同軸部をドアノブ型などにし
てもよい。さらに、特に低圧力動作のときには、プラズ
マの発生やその閉じ込めを良くするために、磁場発生器
（空心コイルまたは永久磁石などから成り、磁場の強さ
は電子サイクロトロン共鳴条件やその上下でマルチカス
プ磁場や発散型ビーチ磁場などを形成する、磁力線の方
向は限定するものではない）90を設けてもよい。また、
ヘリカルコイル状内導体20の先端21は、外導体30に接続
するように図示されているが、これは、接続させなくて
もよい。
マ発生系の断面図及び上面図を示す。本実施例のプラズ
マ発生系は、円筒状外導体30と、ヘリカルコイル状内導
体（銅などの線またはパイプを２〜10ターンぐらい、例
えばピッチ0.5cm,内径１〜10cmに、コイル状に巻回した
もの）20と、石英ガラスなどからなる放電管10と、同軸
導波管変換器40とが図示のように配置される。なお、マ
イクロ波電力を効率よくヘリカルコイル状内導体20に伝
送するために、同軸導波管変換器40のＥ面の寸法を定形
寸法より小さくして特性インピーダンスを小さくすると
ともに、その入力側に1/4波長変成器50を設けて同軸部
の特性インピーダンスと一致させたり、また、反対側に
プランジャー60を設けてマッチングを取るとよい。ま
た、同軸導波管変換器40の同軸部をドアノブ型などにし
てもよい。さらに、特に低圧力動作のときには、プラズ
マの発生やその閉じ込めを良くするために、磁場発生器
（空心コイルまたは永久磁石などから成り、磁場の強さ
は電子サイクロトロン共鳴条件やその上下でマルチカス
プ磁場や発散型ビーチ磁場などを形成する、磁力線の方
向は限定するものではない）90を設けてもよい。また、
ヘリカルコイル状内導体20の先端21は、外導体30に接続
するように図示されているが、これは、接続させなくて
もよい。
次に、基本動作について述べる。マグネトロンなどか
ら成るマイクロ波発生器からのマイクロ波電力（例え
ば、2.25GHz,1.5KW,定常またはパルス変調など）は、同
軸導波管変換器40からヘリカルコイル状内導体20に伝送
され、軸方向に磁場を発生する。このとき、電磁誘導に
よって、ヘリカルコイル状内導体20に流れる電流の方法
とは逆の方向に電界が誘起され、ガス・試料導入器70か
ら放電管10に導入したガスなどを電離し、プラズマ80を
発生・加熱する。プラズマ80には、ヘリカルコイルに流
れる流とマイクロ波周波数との積に比例した電流が表皮
効果により周辺部に集中して流れる。このため、高圧力
時には、プラズマの温度および密度分布は、周辺部にピ
ークをもつ、いわゆるドーナツ状またはトロイダル状に
なる。したがって、このドーナツの内側に分析すべき試
料を導入すると、熱伝導や放射により加熱され、効率よ
くイオン（プラズマ）化することができる。なお、動作
は定常または非定常（パルス）で行う。
ら成るマイクロ波発生器からのマイクロ波電力（例え
ば、2.25GHz,1.5KW,定常またはパルス変調など）は、同
軸導波管変換器40からヘリカルコイル状内導体20に伝送
され、軸方向に磁場を発生する。このとき、電磁誘導に
よって、ヘリカルコイル状内導体20に流れる電流の方法
とは逆の方向に電界が誘起され、ガス・試料導入器70か
ら放電管10に導入したガスなどを電離し、プラズマ80を
発生・加熱する。プラズマ80には、ヘリカルコイルに流
れる流とマイクロ波周波数との積に比例した電流が表皮
効果により周辺部に集中して流れる。このため、高圧力
時には、プラズマの温度および密度分布は、周辺部にピ
ークをもつ、いわゆるドーナツ状またはトロイダル状に
なる。したがって、このドーナツの内側に分析すべき試
料を導入すると、熱伝導や放射により加熱され、効率よ
くイオン（プラズマ）化することができる。なお、動作
は定常または非定常（パルス）で行う。
上記実施例では、マイクロ波伝送回路は全て立体回路
で構成されているので、大電力を供給することができ
る。大容量の高温・高密度（カットオフ密度以上）が容
易に得られる。なお、必要に応じて、強制風冷や水冷を
行うとよい。
で構成されているので、大電力を供給することができ
る。大容量の高温・高密度（カットオフ密度以上）が容
易に得られる。なお、必要に応じて、強制風冷や水冷を
行うとよい。
第２図は、低電力用の実施例の断面図を示す。この実
施例は、マグネトロンなどのマイクロ波発生器からの出
力を、同軸ケーブルとマッチング回路（なくても可）を
介してマイクロ波励起プラズマ発生系に伝送することを
特徴とする。第２図において、41はマイクロ波入力用同
軸コネクターを示し、その他の符号は第１図実施例の場
合と同一の部品である。なお、ヘリカルコイル状内導体
20の先端21は、図示では外導体30に接続されていない
が、これは接続してもよい。
施例は、マグネトロンなどのマイクロ波発生器からの出
力を、同軸ケーブルとマッチング回路（なくても可）を
介してマイクロ波励起プラズマ発生系に伝送することを
特徴とする。第２図において、41はマイクロ波入力用同
軸コネクターを示し、その他の符号は第１図実施例の場
合と同一の部品である。なお、ヘリカルコイル状内導体
20の先端21は、図示では外導体30に接続されていない
が、これは接続してもよい。
本実施例によれば、内外の導体の径は任意に設定でき
るので、放電管10の径もそれに対応して任意に設定でき
る利点がある。したがって、プラズマ80の径も任意に設
定することができ、特に大口径プラズマを必要とすると
きに有用である。なお、本実施例においても、外導体30
の外周側に外部磁場発生器（第１図の90）を設けてもよ
い。
るので、放電管10の径もそれに対応して任意に設定でき
る利点がある。したがって、プラズマ80の径も任意に設
定することができ、特に大口径プラズマを必要とすると
きに有用である。なお、本実施例においても、外導体30
の外周側に外部磁場発生器（第１図の90）を設けてもよ
い。
第１図および第２図実施例における放電管10の形状お
よびガス等の導入口は、図示例に限定されるものではな
い。動作ガスは、目的に応じて、H2,He,O2,Ar,Xe,Hgを
はじめCH4,NH3などを選定し、管内圧力を10-6〜760Torr
の範囲に設定する。
よびガス等の導入口は、図示例に限定されるものではな
い。動作ガスは、目的に応じて、H2,He,O2,Ar,Xe,Hgを
はじめCH4,NH3などを選定し、管内圧力を10-6〜760Torr
の範囲に設定する。
次に、第３図〜第６図により、前記マイクロ波励起プ
ラズマ発生系を、デポジション等の新素材の創製のため
のプラズマプロセシング装置、材料の表面改質、微量元
素分析、および紫外線等の光源等に適用する場合の実施
例について述べる。
ラズマ発生系を、デポジション等の新素材の創製のため
のプラズマプロセシング装置、材料の表面改質、微量元
素分析、および紫外線等の光源等に適用する場合の実施
例について述べる。
第３図は、前記マイクロ波励起プラズマ発生系を、エ
ッチングやデポジション等のプラズマプロセシング装置
に適用した、本発明実施例のブロック構成図である。第
３図において、100はマイクロ波発生系を示し、高圧電
源（直流またはパルス）、マイクロ波発振器（マグネト
ロンやジャイラトロンなど）、アイソレータ、電力計お
よびＥ−Ｈチューナなどから構成されている。200はマ
イクロ波プラズマ発生系を示し、前記第１図あるいは第
２図の構成要素から成る。300はガス・試料導入系を示
し、ガス（H2,He,Ne,O2,Ar,Xe,Hg単体またはこれらの混
合ガス）や反応微粒子（例えば、BaCO3＋Y2O3＋CuOやLa
B6など）を導入する装置から成る。400は反応室系を示
し、高真空容器と基板設置台および基板加熱または冷却
器とバイアス印加装置等から成る。500は基板の温度・
バイアス系を示し、基板の温度およびバイアス制御回路
から成る。600は反応ガス・試料導入系を示し、CH4,C
F4,SiF4などの反応ガスを導入する反応ガス導入器や前
記超微粒子を作製導入する電子ビームまたはレーザ蒸着
装置などから構成されている。700は基板表面状態等観
測系を示し、分光器や質量分析器などから構成されてい
る。800は排気系を示し、反応室系400内の反応室やマイ
クロ波プラズマ発生系200内の放電管等を排気するため
のターボポンプなどから成る。1000はマイクロコンピュ
ータなどから成る制御系を示し、マイクロ波発生系10
0、基板の温度・バイアス制御系500、ガス・試料導入系
300、反応ガス・試料導入系600および基板表面状態等観
測系700を制御して、装置全体の最適（得られる材質等
の最適化）制御を行うとともに各種のデータを整理保管
する機能を持っている。第３図の装置の特徴は、前述の
マイクロ波励起プラズマ発生系の放電管で発生したプラ
ズマと化学的又は物理的に反応するガスや試料を反応室
系に導入し、この反応室系内に配置した材料にプラズマ
プロセシングを行なうところにある。
ッチングやデポジション等のプラズマプロセシング装置
に適用した、本発明実施例のブロック構成図である。第
３図において、100はマイクロ波発生系を示し、高圧電
源（直流またはパルス）、マイクロ波発振器（マグネト
ロンやジャイラトロンなど）、アイソレータ、電力計お
よびＥ−Ｈチューナなどから構成されている。200はマ
イクロ波プラズマ発生系を示し、前記第１図あるいは第
２図の構成要素から成る。300はガス・試料導入系を示
し、ガス（H2,He,Ne,O2,Ar,Xe,Hg単体またはこれらの混
合ガス）や反応微粒子（例えば、BaCO3＋Y2O3＋CuOやLa
B6など）を導入する装置から成る。400は反応室系を示
し、高真空容器と基板設置台および基板加熱または冷却
器とバイアス印加装置等から成る。500は基板の温度・
バイアス系を示し、基板の温度およびバイアス制御回路
から成る。600は反応ガス・試料導入系を示し、CH4,C
F4,SiF4などの反応ガスを導入する反応ガス導入器や前
記超微粒子を作製導入する電子ビームまたはレーザ蒸着
装置などから構成されている。700は基板表面状態等観
測系を示し、分光器や質量分析器などから構成されてい
る。800は排気系を示し、反応室系400内の反応室やマイ
クロ波プラズマ発生系200内の放電管等を排気するため
のターボポンプなどから成る。1000はマイクロコンピュ
ータなどから成る制御系を示し、マイクロ波発生系10
0、基板の温度・バイアス制御系500、ガス・試料導入系
300、反応ガス・試料導入系600および基板表面状態等観
測系700を制御して、装置全体の最適（得られる材質等
の最適化）制御を行うとともに各種のデータを整理保管
する機能を持っている。第３図の装置の特徴は、前述の
マイクロ波励起プラズマ発生系の放電管で発生したプラ
ズマと化学的又は物理的に反応するガスや試料を反応室
系に導入し、この反応室系内に配置した材料にプラズマ
プロセシングを行なうところにある。
第４図は、発生した高密度プラズマからのイオンや中
性粒子（ラジカル等）を選択的に取り出して、材料の表
面加工や表面改質等を行う場合の実施例ブロック構成図
である。第４図において、900は粒子選別系を示しマイ
クロ波プラズマ発生系200からイオンやラジカル等を選
択的に取り出すための電磁場印加装置から成る。その他
の符号は第３図と同じである。なお、このマイクロ波励
起プラズマ発生装置では、前記イオンやラジカル等を直
接的に基板と反応させて材料の表面改質を行う他、前記
イオンなど一たんターゲットを衝撃し、そこから放出さ
れるターゲット物質を基板にデポジットさせる装置とし
ても用いることができる。第４図の装置の特徴は、前述
のマイクロ波励起プラズマ発生系の放電管で発生したプ
ラズマからイオンや中性粒子の少なくとも一方を選択的
に取り出して反応室系に導入し、この反応室系内の材料
の表面処理や表面改質を行なうところにある。
性粒子（ラジカル等）を選択的に取り出して、材料の表
面加工や表面改質等を行う場合の実施例ブロック構成図
である。第４図において、900は粒子選別系を示しマイ
クロ波プラズマ発生系200からイオンやラジカル等を選
択的に取り出すための電磁場印加装置から成る。その他
の符号は第３図と同じである。なお、このマイクロ波励
起プラズマ発生装置では、前記イオンやラジカル等を直
接的に基板と反応させて材料の表面改質を行う他、前記
イオンなど一たんターゲットを衝撃し、そこから放出さ
れるターゲット物質を基板にデポジットさせる装置とし
ても用いることができる。第４図の装置の特徴は、前述
のマイクロ波励起プラズマ発生系の放電管で発生したプ
ラズマからイオンや中性粒子の少なくとも一方を選択的
に取り出して反応室系に導入し、この反応室系内の材料
の表面処理や表面改質を行なうところにある。
第５図は、発生した高密度・高温プラズマからの発光
やイオンを用いて微量元素を分析する場合の実施例ブロ
ック構成図である。第５図において、310は試料・ガス
導入系を示し、分析すべき試料とキャリアガス（He,N2,
Ar等）と、これらを霧状化するネブライザなどから構成
されている。1100はイオン引出し系を示し、スキマー，
アインツェルレンズ等静電レンズ系などから成る。1200
は質量分析系を示し、マスフィルタなどから成る。1300
は発光分析系を示し、分光器などから成る。本実施例に
よる元素分析では、トロイダルプラズマが発生するよう
に動作条件を設定（例えば、大気圧で、直径2cm以下程
度の小口径プラズマの生成）することができ、高感度化
や高効率化が実現可能となる大きな利点がある。第５図
の装置の特徴は、前述のマイクロ波励起プラズマ発生系
の放電管で発生したプラズマから少なくともイオンを質
量分析器に導入して分析し、あるいは発光を分光器に導
いて分析する元素分析手段を備えたところにある。
やイオンを用いて微量元素を分析する場合の実施例ブロ
ック構成図である。第５図において、310は試料・ガス
導入系を示し、分析すべき試料とキャリアガス（He,N2,
Ar等）と、これらを霧状化するネブライザなどから構成
されている。1100はイオン引出し系を示し、スキマー，
アインツェルレンズ等静電レンズ系などから成る。1200
は質量分析系を示し、マスフィルタなどから成る。1300
は発光分析系を示し、分光器などから成る。本実施例に
よる元素分析では、トロイダルプラズマが発生するよう
に動作条件を設定（例えば、大気圧で、直径2cm以下程
度の小口径プラズマの生成）することができ、高感度化
や高効率化が実現可能となる大きな利点がある。第５図
の装置の特徴は、前述のマイクロ波励起プラズマ発生系
の放電管で発生したプラズマから少なくともイオンを質
量分析器に導入して分析し、あるいは発光を分光器に導
いて分析する元素分析手段を備えたところにある。
第６図は、プラズマから放射される紫外線等を用い
て、材料の表面処理等を行う場合の実施例ブロック構成
図である。第６図において、1400は紫外線取出し系を示
し、プラズマ反応が反応室系400に拡散するのを防止す
るとともに紫外線の透過を良好にするように、石英やフ
ッ化カルシウム等の板または金属メッシュ（バイアス電
位印加）等から成る。なお、プラズマとしては、効率よ
う紫外線が発生するように、Ar−HgやXeなどを用い、大
口径の均一なプラズマが得られるように動作条件を設定
する（例えば、低圧力に設定する）。本実施例は、光
（紫外線など）化学反応などに用いる、例えばCl2を活
性化して行う、エッチングや、SiH4を分解してSiのエピ
タキシャル成長による薄膜の形成（即ち、光化学気相成
長）をはじめ、O2に光を照射して行うレジスト・アッシ
ング（灰化）等の分野に用いることができる。本実施例
の利点は、ガスを選定することにより任意の波長の光が
高輝度で大面積に得られることにある。なお、本実施例
の場合、マイクロ波プラズマ発生系200に配置される放
電管（第１図，第２図の10）を、複数の放電管から構成
してもよい。第６図の装置の特徴は、前述のマイクロ波
励起プラズマ発生系の放電管で発生したプラズマから放
射される短波長光を用いて光化学反応を行なうところに
ある。
て、材料の表面処理等を行う場合の実施例ブロック構成
図である。第６図において、1400は紫外線取出し系を示
し、プラズマ反応が反応室系400に拡散するのを防止す
るとともに紫外線の透過を良好にするように、石英やフ
ッ化カルシウム等の板または金属メッシュ（バイアス電
位印加）等から成る。なお、プラズマとしては、効率よ
う紫外線が発生するように、Ar−HgやXeなどを用い、大
口径の均一なプラズマが得られるように動作条件を設定
する（例えば、低圧力に設定する）。本実施例は、光
（紫外線など）化学反応などに用いる、例えばCl2を活
性化して行う、エッチングや、SiH4を分解してSiのエピ
タキシャル成長による薄膜の形成（即ち、光化学気相成
長）をはじめ、O2に光を照射して行うレジスト・アッシ
ング（灰化）等の分野に用いることができる。本実施例
の利点は、ガスを選定することにより任意の波長の光が
高輝度で大面積に得られることにある。なお、本実施例
の場合、マイクロ波プラズマ発生系200に配置される放
電管（第１図，第２図の10）を、複数の放電管から構成
してもよい。第６図の装置の特徴は、前述のマイクロ波
励起プラズマ発生系の放電管で発生したプラズマから放
射される短波長光を用いて光化学反応を行なうところに
ある。
本発明によれば、円筒同軸導波器の内導体をヘリカル
コイル状としその内側に放電管を設けるとともにマイク
ロ波電力を用いる構成としたことにより、マイクロ波励
起周波数による寸法や形状の制限がなくなり、さらに、
励起電流とマイクロ波励起周波数との積に比例した大電
流をプラズマ中に流すことができ、さらに周波数上昇に
よる表皮効果における表皮厚さの改良や外部磁界の印加
などによって、カットオフ以上の高密度・高温の、しか
も目的に応じた径分布を持ち任意の口径のプラズマを効
率よく容易に生成させることができる。
コイル状としその内側に放電管を設けるとともにマイク
ロ波電力を用いる構成としたことにより、マイクロ波励
起周波数による寸法や形状の制限がなくなり、さらに、
励起電流とマイクロ波励起周波数との積に比例した大電
流をプラズマ中に流すことができ、さらに周波数上昇に
よる表皮効果における表皮厚さの改良や外部磁界の印加
などによって、カットオフ以上の高密度・高温の、しか
も目的に応じた径分布を持ち任意の口径のプラズマを効
率よく容易に生成させることができる。
したがって、本発明装置により発生するプラズマは、
半導体材料等のエッチング処理やデポジション処理など
のプラズマプロセシングをはじめ、新素材の創製や表面
加工や表面改質、元素分析における発光やイオン源とし
て、さらに、光反応用の高輝度短波長光源等として幅広
く用いることができる利点がある。
半導体材料等のエッチング処理やデポジション処理など
のプラズマプロセシングをはじめ、新素材の創製や表面
加工や表面改質、元素分析における発光やイオン源とし
て、さらに、光反応用の高輝度短波長光源等として幅広
く用いることができる利点がある。
第１図は本発明のマイクロ波励起プラズマ発生系の一実
施例の断面図と上面図、第２図は同じく他の実施例の断
面図、第３図〜第６図はそれぞれ、第１図あるいは第２
図のプラズマ発生系で発生したプラズマを用いる装置の
実施例ブロック構成図で第３図は材料のプラズマプロセ
シングに用いる場合、第４図は材料の表面処理等に用い
る場合、第５図は元素分析に用いる場合、第６図は光化
学反応に用いる場合である。 符号の説明 10……放電管 20……ヘリカルコイル状内導体 30……円筒状外導体 40……同軸導波管変換器 41……同軸コネクター 50……1/4波長変成器 60……プランジャー 70……ガス・試料導入器 80……プラズマ 90……磁場発生器 100……マイクロ波発生系 200……マイクロ波プラズマ発生系 400……反応室系 900……粒子選別系 1000……制御系
施例の断面図と上面図、第２図は同じく他の実施例の断
面図、第３図〜第６図はそれぞれ、第１図あるいは第２
図のプラズマ発生系で発生したプラズマを用いる装置の
実施例ブロック構成図で第３図は材料のプラズマプロセ
シングに用いる場合、第４図は材料の表面処理等に用い
る場合、第５図は元素分析に用いる場合、第６図は光化
学反応に用いる場合である。 符号の説明 10……放電管 20……ヘリカルコイル状内導体 30……円筒状外導体 40……同軸導波管変換器 41……同軸コネクター 50……1/4波長変成器 60……プランジャー 70……ガス・試料導入器 80……プラズマ 90……磁場発生器 100……マイクロ波発生系 200……マイクロ波プラズマ発生系 400……反応室系 900……粒子選別系 1000……制御系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−80449（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−7199（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−290054（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−119287（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−96924（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−279599（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08 H01J 49/10 H05H 1/46 C23F 4/00 H01L 21/3065
Claims (5)
- 【請求項１】マイクロ波発生源と、 前記マイクロ波発生源からのマイクロ波を伝送する立体
回路と、 外導体とコイル状の線材からなる内導体とを有する同軸
導波管と、 前記立体回路から前記同軸導波管へマイクロ波を伝送す
るために前記立体回路と前記同軸導波管とのインピーダ
ンスを一致させるように前記立体回路のインピーダンス
を変換する同軸導波管変換器と、 前記内導体の内側に配置された放電管と、 前記放電管の内部にガスを導入するガス導入部とを具備
することを特徴とするプラズマ発生装置。 - 【請求項２】前記同軸導波管変換器の外径が前記外導体
の外径より大ききことを特徴とする請求項１記載のプラ
ズマ発生装置。 - 【請求項３】前記外導体の外側に磁場発生手段を設けた
ことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ発生
装置。 - 【請求項４】前記マイクロ発生源と前記同軸導波管変換
器との間に1/4波長変成器を設けたことを特徴とする請
求項１、２または３記載のプラズマ発生装置。 - 【請求項５】マイクロ波発生源と、 前記マイクロ波発生源からのマイクロ波を伝送する立体
回路と、 外導体とコイル状の線材からなる内導体とを有する同軸
導波管と、 前記立体回路から前記同軸導波管へマイクロ波を伝送す
るために前記立体回路と前記同軸導波管とのインピーダ
ンスを一致させるように前記立体回路のインピーダンス
を変換する同軸導波管変換器と、 前記内導体の内側に配置された放電管と、 前記放電管の内部に試料ガスとキャリアガスを導入する
ガス導入部と、 前記放電管内で発生したプラズマからイオンを取り出す
手段と、 前記イオンの質量を分析する手段とを具備することを特
徴とするプラズマ元素分析装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63112563A JP2805009B2 (ja) | 1988-05-11 | 1988-05-11 | プラズマ発生装置及びプラズマ元素分析装置 |
| US07/347,573 US4908492A (en) | 1988-05-11 | 1989-05-05 | Microwave plasma production apparatus |
| DE3915477A DE3915477C2 (de) | 1988-05-11 | 1989-05-11 | Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit Mikrowellen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63112563A JP2805009B2 (ja) | 1988-05-11 | 1988-05-11 | プラズマ発生装置及びプラズマ元素分析装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7111717A Division JP2787006B2 (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 加工方法及び加工装置並びにプラズマ光源 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01283745A JPH01283745A (ja) | 1989-11-15 |
| JP2805009B2 true JP2805009B2 (ja) | 1998-09-30 |
Family
ID=14589813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63112563A Expired - Fee Related JP2805009B2 (ja) | 1988-05-11 | 1988-05-11 | プラズマ発生装置及びプラズマ元素分析装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4908492A (ja) |
| JP (1) | JP2805009B2 (ja) |
| DE (1) | DE3915477C2 (ja) |
Families Citing this family (72)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02215038A (ja) * | 1989-02-15 | 1990-08-28 | Hitachi Ltd | マイクロ波プラズマ極微量元素分析装置 |
| JP2922223B2 (ja) * | 1989-09-08 | 1999-07-19 | 株式会社日立製作所 | マイクロ波プラズマ発生装置 |
| GB9009319D0 (en) * | 1990-04-25 | 1990-06-20 | Secr Defence | Gaseous radical source |
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| US8779322B2 (en) | 1997-06-26 | 2014-07-15 | Mks Instruments Inc. | Method and apparatus for processing metal bearing gases |
| US7166816B1 (en) | 1997-06-26 | 2007-01-23 | Mks Instruments, Inc. | Inductively-coupled torodial plasma source |
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