JP4001185B1 - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波放電型のプラズマ発生装置において、アンテナカバーの溶断を速やかに検出することができるようにする。
【解決手段】 このプラズマ発生装置１０は、プラズマ生成容器１２内に設けられていて高周波を放射するアンテナ２６と、プラズマ生成容器１２内のアンテナ２６全体を覆うものであって絶縁物から成るアンテナカバー４２とを備えている。更に、アンテナ２６とプラズマ生成容器１２との間の直流電圧Ｖ_D を測定する直流電圧測定器６０と、それで測定した直流電圧Ｖ_D を基準値Ｖ_R と比較して、前者の絶対値が後者の絶対値よりも大きいときに警報信号Ｓ_W を出力する比較器８０とを備えている。アンテナカバー４２が溶断すると、その溶断箇所４４でプラズマ２０がアンテナ２６に接触して、アンテナ２６にはプラズマポテンシャルに相当する直流電圧Ｖ_D が発生するので、上記警報信号Ｓ_W が出力される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば、基板にイオンビームを照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置においてイオンビーム照射の際の基板表面の帯電（チャージアップ）を抑制すること等に用いられる高周波放電型のプラズマ発生装置に関する。

上記のような基板表面の帯電抑制に用いられる高周波放電型のプラズマ発生装置の一例として、特許文献１には、プラズマ生成容器内で高周波放電によってガスを電離させてプラズマを生成して、当該プラズマをプラズマ放出孔を通して外部に放出する装置であって、プラズマ生成容器内に設けられていて高周波を放射するアンテナと、プラズマ生成容器内のアンテナ全体を覆うものであって絶縁物から成るアンテナカバーとを備えているプラズマ発生装置が記載されている。

特開２００２−３２４５１１号公報（段落００３１−００３８、図１）

上記アンテナカバーは、プラズマによるスパッタリングによってアンテナからそれを構成する金属粒子が放出されてプラズマを汚染すること（即ち金属汚染）が発生するのを防止することが主目的で設けられている。

ところが、上記のようなプラズマ発生装置を長時間（例えば数百時間〜数千時間程度）運転すると、アンテナカバーが部分的に溶断して、その溶断箇所でアンテナが露出してプラズマに曝されて、金属汚染が発生する場合があることが分かった。

その原因としては、プラズマ生成容器内でアンテナに沿って高周波の定在波が生じ、その腹の部分で電界が最大になって、プラズマ中の電子およびイオンがアンテナに向けて強く加速されて、それらによるスパッタリングによって、上記のように長時間運転すると、アンテナカバーが部分的に削られて溶断が生じるものと推測される。

そのようなアンテナカバーの溶断が発生しても、従来のプラズマ発生装置ではそれを検出する手段を有していないので、そのままプラズマ発生装置の運転を続けると、知らない内に金属汚染が発生しているということが起こる。それが起こると、例えば当該プラズマ発生装置を用いた上記のようなイオンビーム照射装置においては、基板への金属汚染も発生する。

そこでこの発明は、高周波放電型のプラズマ発生装置において、アンテナカバーの溶断を速やかに検出することができるようにすることを主たる目的としている。

この発明に係る第１のプラズマ発生装置は、プラズマ生成容器内で高周波放電によってガスを電離させてプラズマを生成して、当該プラズマをプラズマ放出孔を通して外部に放出する装置であって、プラズマ生成容器内に設けられていて高周波を放射するものであって高周波入力端とは反対側端が開放端であるアンテナと、プラズマ生成容器内のアンテナ全体を覆うものであって絶縁物から成るアンテナカバーとを備えているプラズマ発生装置において、前記アンテナと前記プラズマ生成容器との間の直流電圧を測定する直流電圧測定器と、前記直流電圧測定器で測定した直流電圧を所定の基準値と比較して、前者の絶対値が後者の絶対値よりも大きいときに警報信号を出力する比較器とを備えていることを特徴としている。

この第１のプラズマ発生装置においては、アンテナカバーが溶断すると、その溶断箇所でプラズマがアンテナに接触して、アンテナにはプラズマポテンシャルに相当する直流電圧が発生する。アンテナカバーが正常時には、そのような直流電圧は発生しない。従って、上記直流電圧測定器と比較器とによって、アンテナカバーの溶断を速やかに検出して、警報信号を出力することができる。

この発明に係る第２のプラズマ発生装置は、前記アンテナと前記プラズマ生成容器との間の直流抵抗を測定する直流抵抗測定器と、前記直流抵抗測定器で測定した直流抵抗を所定の基準値と比較して、前者が後者よりも小さいときに警報信号を出力する比較器とを備えていることを特徴としている。

この第２のプラズマ発生装置においては、アンテナカバーが溶断すると、その溶断箇所でプラズマがアンテナに接触して、アンテナとプラズマ生成容器との間が、電気的には導体に近いプラズマによって電気的に導通するので、アンテナとプラズマ生成容器との間の直流抵抗は非常に小さくなる。アンテナカバーが正常時には、上記直流抵抗は非常に大きい。従って、上記直流抵抗測定器と比較器とによって、アンテナカバーの溶断を速やかに検出して、警報信号を出力することができる。

請求項１に記載の発明によれば、上記のような直流電圧測定器と比較器とを備えているので、アンテナカバーの溶断を速やかに検出して、警報信号を出力することができる。その結果、アンテナがプラズマによってスパッタされることによる金属汚染の発生を未然に防止することが可能になる。

請求項２に記載の発明によれば、上記のような直流抵抗測定器と比較器とを備えているので、アンテナカバーの溶断を速やかに検出して、警報信号を出力することができる。その結果、アンテナがプラズマによってスパッタされることによる金属汚染の発生を未然に防止することが可能になる。

図１は、この発明に係るプラズマ発生装置の一実施形態を示す断面図である。図２は、図１および図６の線Ａ−Ａに沿う断面図である。

このプラズマ発生装置１０は、真空容器８内において基板（例えば半導体基板）４にイオンビーム２を照射して、基板４にイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置（この装置は、イオン注入を行う場合はイオン注入装置と呼ばれる）に用いられている場合の例である。プラズマ発生装置１０は、基板４の上流側近傍に位置する真空容器８の外部に、絶縁物５４を介して取り付けられている。

この例では、イオンビーム２は、Ｘ方向（例えば水平方向）に電界または磁界によって往復走査される。基板４は、ホルダ６に保持されていて、Ｘ方向と交差するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に往復走査される。両走査の協働（ハイブリッドスキャン）によって、基板４の全面にイオンビーム２を均一性良く照射して均一性の良いイオン注入を行うことができる。

その際、プラズマ発生装置１０から放出したプラズマ２０をイオンビーム２または基板４の近傍に供給して、プラズマ２０中の電子を用いて、イオンビーム照射に伴う正電荷を中和して、基板４の表面の帯電を抑制することができる。

プラズマ発生装置１０は、この実施形態では、イオンビーム２の上記Ｘ方向の走査に対応することができるように、Ｘ方向に長く伸びた構造をしている。それによって、Ｘ方向の幅が広いプラズマ２０を放出して、Ｘ方向に走査されるイオンビーム２付近にプラズマ２０を万遍なく供給して、基板４の表面において帯電を万遍なく抑制することができる。

このプラズマ発生装置は、Ｘ方向に沿って長く伸びた筒状（具体的には半円筒状）のプラズマ生成容器１２を有している。このプラズマ生成容器１２は、後述する磁石５０による磁界５２を乱さないために、非磁性体で構成されている。電極１６も同様である。

プラズマ生成容器１２の一方（図１中の左側）の端面に、ガス導入管２２が接続されており、そこからガス２４がプラズマ生成容器１２内に導入される。ガス２４は、例えばキセノンガスである。

プラズマ生成容器１２は、その一部に、具体的にはその下側（イオンビーム２に面する側）の側面に、開口部１４を有しており、そこに、プラズマ生成容器１２内で生成されたプラズマ２０を外部に取り出すプラズマ放出孔１８を有する電極１６が設けられている。プラズマ放出孔１８は、この実施形態ではＸ方向に並設された複数の孔（例えば円形の孔または長円形の孔）であるが、Ｘ方向に伸びたスリットでも良い。電極１６は、プラズマ生成容器１２と電気的に接続されていてそれと同電位にある。

開口部１４および電極１６を設ける代わりに、プラズマ生成容器１２の上記側面に直接、上記プラズマ放出孔１８を設けても良い。

プラズマ生成容器１２内に、その長手方向の軸に沿って、即ちＸ方向に沿って、真っ直ぐな棒状のアンテナ２６が設けられている。このアンテナ２６のプラズマ生成容器１２内での長さは、プラズマ生成容器１２内の軸方向の長さの例えば８０％〜１００％程度である。アンテナ２６は、具体的には、プラズマ生成容器１２の他方（図１中の右側）の端面からプラズマ生成容器１２内に挿入されている。アンテナ２６は、例えばタングステンから成る。アンテナ２６とプラズマ生成容器１２との間は、アンテナカバー４２やその他の絶縁物（図示省略）によって電気的に絶縁されている。

アンテナ２６には、高周波電源３０から、インピーダンス整合回路３２および同軸ケーブル３４を経由して、高周波２８が供給される。高周波２８は、例えば１３．５６ＭＨｚ程度の高周波でも良いし、例えば２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波でも良い。即ちこの明細書では、高周波はマイクロ波を含む広い概念である。同軸ケーブル３４の中心導体３６はアンテナ２６に、外周導体３８はプラズマ生成容器１２に、それぞれ電気的に接続されている。

上記構成によって外部からアンテナ２６に供給される高周波２８を当該アンテナ２６からプラズマ生成容器１２内に放射して、プラズマ生成容器１２内で高周波放電によって上記ガス２４を電離させてプラズマ２０を生成することができる。そしてこのプラズマ２０を、上記プラズマ放出孔１８を通して真空容器８内へ取り出すことができる。

プラズマ生成容器１２およびそれと同電位の電極１６には、この実施形態のように、直流の引出し電源５６によって、真空容器８の電位を基準にして負の引出し電圧Ｖ_E を印加するようにしても良い。そのようにすれば、プラズマ放出孔１８から電子が放出されやすくなり、ひいてはプラズマ２０が放出されやすくなる。

プラズマ生成容器１２内に位置するアンテナ２６の全体は、絶縁物から成るアンテナカバー４２で覆われている。アンテナカバー４２は、例えば石英から成る。これによって、プラズマ２０によるスパッタリングによって、アンテナ２６からそれを構成する金属粒子が放出されて金属汚染が発生するのを防止することができる。

プラズマ生成容器１２の内壁（即ち開口部１４を除く内壁）も、この実施形態のように、絶縁物４８で覆っておくのが好ましい。電極１６を設けずにプラズマ放出孔１８をプラズマ生成容器１２の側面に設ける場合は、プラズマ放出孔１８を除くプラズマ生成容器１２の内壁を絶縁物４８で覆っておくのが好ましい。それによって、プラズマ２０によるスパッタリングによって、プラズマ生成容器１２からそれを構成する金属粒子が放出されて金属汚染が発生するのを防止することができる。但し、この発明はアンテナカバー４２の溶断検出に関するものであるので、この絶縁物４８を設けることはこの発明に必須のものではない。

プラズマ生成容器１２の外部には、この実施形態のように、プラズマ生成容器１２内に、プラズマ生成容器１２の軸に沿う方向の磁界５２を発生させる磁石５０を設けておいても良い。この磁石５０は、この例では、プラズマ生成容器１２に沿う半円筒形をしている。この磁石５０は、典型的には永久磁石である。この磁石５０を設けておくと、それが発生する磁界５２によって電子を捕捉して、プラズマ生成容器１２内におけるプラズマ２０の生成および維持を促進することができるので、より高密度のプラズマ２０の発生が可能になる。

アンテナ２６とプラズマ生成容器１２との間に、両者間の直流電圧Ｖ_D を測定する直流電圧測定器６０を接続している。アンテナ２６、プラズマ生成容器１２は、同軸ケーブル３４の中心導体３６、外周導体３８とそれぞれ電気的に接続されているので、この中心導体３６と外周導体３８との間に直流電圧測定器６０を接続しても良い。また、前述したようにプラズマ生成容器１２と電極１６とは互いに電気的に接続されていて同電位にあるので、電気的には両者は区別する必要はない。図６に示す実施形態においても同様である。

直流電圧測定器６０周りの電気回路の一例を図３に示す。図３中の接続点ａ、ｂは、図１中の接続点ａ、ｂとそれぞれ同じである。この直流電圧測定器６０は、高周波を阻止し、直流を通過させるローパスフィルタ６２と、このローパスフィルタ６２を通過した直流電圧Ｖ_D を測定してそれを表す信号を出力する直流電圧計６６とを有している。このローパスフィルタ６２の存在によって、直流電圧測定器６０は高周波に対しては非常に大きいインピーダンスになるので、この直流電圧測定器６０を設けても、プラズマ生成容器１２内への高周波２８の入力等に大きな影響はない。後述する直流抵抗測定器７０を設ける場合も同様である。

ローパスフィルタ６２は、この例では、直流電圧計６６に直列のコイル６３と、直流電圧計６６に並列のコンデンサ６４とから成るが、この構成に限られるものではない。例えば、コンデンサ６４は必ずしも設けなくても良い。後述する図７においても同様である。

再び図１を参照して、直流電圧測定器６０で測定した直流電圧Ｖ_D は比較器８０に与えられる。比較器８０は、当該直流電圧Ｖ_D を所定の基準値（基準電圧）Ｖ_R と比較して、前者Ｖ_D の絶対値が後者Ｖ_R の絶対値よりも大きいときに警報信号Ｓ_W を出力する。

アンテナカバー４２が前述したような理由等で溶断すると、例えば図１に示す溶断箇所４４で溶断が生じると、その溶断箇所４４でプラズマ２０がアンテナ２６に接触して、アンテナ２６にはプラズマの電位（プラズマポテンシャル）Ｖ_P に相当する直流電圧Ｖ_D が発生する（図３参照）。

このプラズマポテンシャルＶ_P の極性は、一般的な書籍には、単純な構造を前提にして、プラズマ生成容器を基準にして正であると書かれていることが多いけれども、このプラズマ発生装置１０を用いた実験結果では、プラズマ生成容器１２を基準にして負であった。その理由は究明していないけれども、磁界５２に沿った電子の運動等が関係しているものと推測される。このプラズマポテンシャルＶ_P に相当する直流電圧Ｖ_D が直流電圧測定器６０によって測定される。その測定結果の一例を図５に示す。図５中の高周波出力は、高周波電源３０からの高周波２８の出力であり、引出し電圧Ｖ_E は引出し電源５６の出力電圧である（図４においても同様）。この例では、−１５Ｖ〜−４５Ｖ程度の直流電圧Ｖ_D が測定されている。

一方、アンテナカバーが正常時は、即ち溶断箇所がない場合は、アンテナ２６全体がアンテナカバー４２で覆われているので、アンテナ２６へのプラズマ２０の接触はなく、アンテナ２６に上記のような直流電圧Ｖ_D は発生しない。即ち、直流電圧測定器６０で測定する直流電圧Ｖ_D は実質的に０Ｖである。その測定結果の一例を図４に示す。

従って、上記基準値Ｖ_R を、例えば−１Ｖ〜−５Ｖ程度に設定しておくことによって、アンテナカバー４２に溶断箇所４４が発生すると、直流電圧測定器６０で測定する直流電圧Ｖ_D が基準値Ｖ_R よりも負側に大きくなるので、即ち直流電圧Ｖ_D の絶対値が基準値Ｖ_R の絶対値よりも大きくなるので、比較器８０から警報信号Ｓ_W が出力される。

プラズマポテンシャルＶ_P の極性は、プラズマ発生装置１０の構造によって決まるが、正、負いずれであっても良く、その極性に合わせて基準値Ｖ_R の極性を決めれば良い。例えば、プラズマポテンシャルＶ_P が上記例とは反対に正である場合は、基準値Ｖ_R も正の所定電圧にすれば良い。

このプラズマ発生装置１０によれば、上記のような直流電圧測定器６０と比較器８０とを備えているので、アンテナカバー４２の溶断を速やかに検出して、警報信号Ｓ_W を出力することができる。その結果、アンテナ２６がプラズマ２０によってスパッタされることによる金属汚染の発生を未然に防止することが可能になる。

図６は、この発明に係るプラズマ発生装置の他の実施形態を示す断面図である。図１に示した実施形態との相違点を主体に説明すると、このプラズマ発生装置１０は、アンテナ２６とプラズマ生成容器１２との間に、両者間の直流抵抗Ｒ_D を測定する直流抵抗測定器７０を接続している。

直流抵抗測定器７０周りの電気回路の一例を図７に示す。この直流抵抗測定器７０は、上記ローパスフィルタ６２と、このローパスフィルタ６２を通過した直流によって直流抵抗Ｒ_D を測定してそれを表す信号を出力する直流抵抗計６８とを有している。

直流抵抗測定器７０で測定した直流抵抗Ｒ_D は比較器８２に与えられる。比較器８２は、当該直流抵抗Ｒ_D を所定の基準値（基準抵抗値）Ｒ_R と比較して、前者Ｒ_D が後者Ｒ_R よりも小さいときに警報信号Ｓ_W を出力する。

アンテナカバー４２が前述したような理由等で溶断すると、その溶断箇所４４でプラズマ２０がアンテナ２６に接触して、アンテナ２６と電極１６すなわちプラズマ生成容器１２との間が、電気的には導体に近いプラズマ２０によって電気的に導通するので、アンテナ２６とプラズマ生成容器１２との間の直流抵抗Ｒ_D は非常に小さくなる。即ち、図７中に二点鎖線で示すように、アンテナ２６とプラズマ生成容器１２との間が非常に小さい抵抗値の抵抗７４で接続されたのと等価になる。このときの直流抵抗Ｒ_D が直流抵抗測定器７０によって測定される。この場合の直流抵抗Ｒ_D は、例えば数Ω〜十数Ω程度以下になる。

一方、アンテナカバーが正常時は、即ち溶断箇所がない場合は、アンテナ２６全体がアンテナカバー４２で覆われていて、プラズマ２０を介しての上記のようなアンテナ２６との導通はないので、アンテナ２６は直流的には浮いており、直流抵抗測定器７０で測定する直流抵抗Ｒ_D は非常に大きい。即ち、アンテナ２６とプラズマ生成容器１２との間には、アンテナカバー４２その他の絶縁物が存在し、その直流抵抗は非常に大きい。また、同軸ケーブル３４、インピーダンス整合回路３２および高周波電源３０側の直流抵抗も、通常はインピーダンス整合回路３２内に直列コンデンサを有していること等によって、非常に大きい。従ってこの場合の直流抵抗Ｒ_D は、例えば数百ｋΩ〜数ＭΩ程度以上になる。

従って、上記基準値Ｒ_R を、例えば１ｋΩ〜５ｋΩ程度に設定しておくことによって、アンテナカバー４２に溶断箇所４４が発生すると、直流抵抗測定器７０で測定する直流抵抗Ｒ_D が基準値Ｒ_R よりも小さくなるので、比較器８２から警報信号Ｓ_W が出力される。

即ち、このプラズマ発生装置１０によれば、上記のような直流抵抗測定器７０と比較器８２とを備えているので、アンテナカバー４２の溶断を速やかに検出して、警報信号Ｓ_W を出力することができる。その結果、アンテナ２６がプラズマ２０によってスパッタされることによる金属汚染の発生を未然に防止することが可能になる。

なお、プラズマ発生装置１０の各部の構造を上に詳述したけれども、その構造はあくまでも例であり、この発明は上に詳述した構造に限定されるものではない。

この発明に係るプラズマ発生装置の一実施形態を示す断面図である。 図１および図６の線Ａ−Ａに沿う断面図である。 図１中の直流電圧測定器周りの電気回路の一例を示す図である。 アンテナカバーが正常時の直流電圧を測定した結果の一例を示す図である。 アンテナカバーが溶断時の直流電圧を測定した結果の一例を示す図である。 この発明に係るプラズマ発生装置の他の実施形態を示す断面図である。 図６中の直流抵抗測定器周りの電気回路の一例を示す図である。

符号の説明

１０ プラズマ発生装置
１２ プラズマ生成容器
１８ プラズマ放出孔
２０ プラズマ
２４ ガス
２６ アンテナ
２８ 高周波
４２ アンテナカバー
４４ 溶断箇所
６０ 直流電圧測定器
７０ 直流抵抗測定器
８０、８２ 比較器

Claims (2)

1. プラズマ生成容器内で高周波放電によってガスを電離させてプラズマを生成して、当該プラズマをプラズマ放出孔を通して外部に放出する装置であって、プラズマ生成容器内に設けられていて高周波を放射するものであって高周波入力端とは反対側端が開放端であるアンテナと、プラズマ生成容器内のアンテナ全体を覆うものであって絶縁物から成るアンテナカバーとを備えているプラズマ発生装置において、
   前記アンテナと前記プラズマ生成容器との間の直流電圧を測定する直流電圧測定器と、
   前記直流電圧測定器で測定した直流電圧を所定の基準値と比較して、前者の絶対値が後者の絶対値よりも大きいときに警報信号を出力する比較器とを備えていることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. プラズマ生成容器内で高周波放電によってガスを電離させてプラズマを生成して、当該プラズマをプラズマ放出孔を通して外部に放出する装置であって、プラズマ生成容器内に設けられていて高周波を放射するものであって高周波入力端とは反対側端が開放端であるアンテナと、プラズマ生成容器内のアンテナ全体を覆うものであって絶縁物から成るアンテナカバーとを備えているプラズマ発生装置において、
   前記アンテナと前記プラズマ生成容器との間の直流抵抗を測定する直流抵抗測定器と、
   前記直流抵抗測定器で測定した直流抵抗を所定の基準値と比較して、前者が後者よりも小さいときに警報信号を出力する比較器とを備えていることを特徴とするプラズマ発生装置。

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