JP6746865B2 - プラズマ生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、トロイダルプラズマを生成するプラズマ生成装置に関する。

プラズマ処理のためにプラズマを生成する装置として、電界結合型のプラズマ生成装置と誘導結合型のプラズマ生成装置とが知られている。電界結合型のプラズマ生成装置は、チャンバ内の材料ガスに、電極によって高周波電界を加えることで、プラズマ化する。一方、誘導結合型のプラズマ生成装置は、誘導コイルに高周波電流を流すことで高周波磁界を発生させ、高周波磁界によってチャンバ内に高周波電界を発生させて、チャンバ内の材料ガスをプラズマ化する。プラズマ化された材料ガスが、反応性ガスとして、プラズマ処理に用いられる。

例えば、特許文献１には、トロイダルプラズマを生成する誘導結合型のプラズマ生成装置が記載されている。なお、「トロイダルプラズマ」とは、トロイダル形状のプラズマである。当該プラズマ生成装置は、チャンバの一部を包囲する磁気コアに巻かれた誘導コイルに高周波電流を流すことで、磁気コア内の磁束を変化させ、これにより、チャンバ内に高周波電界を発生させる。また、特許文献１には、プラズマを着火する方法として、紫外線照射によって自由電荷を発生させる方法や、高電圧の電気パルスを誘導コイルに直接印加又は別途設けた電極に印加する方法が記載されている。

特許第４０７０１５２号

しかしながら、紫外線照射装置や、高電圧パルスを印加するための電極を別途設けるためには、チャンバの構造や形状を設計する必要があるので、開発期間が長くなる。また、プラズマを着火するだけのための構成の追加が必要なので、製造コストが高くなるという問題がある。一方、もともと設置されている誘導コイルに高電圧パルスを印加する場合は、新たに部品を追加する必要はないが、大きな高周波電界を生成させるためには、大きな電力を入力する必要がある。この場合、電力を供給する高周波電源を構成する回路に流れる高周波電流が過大となり、回路を損傷する恐れがある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、低電力でプラズマ着火に必要な大きな高周波電界を発生させることができるプラズマ生成装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面によって提供されるプラズマ生成装置は、トロイダル形状の放電空間を有するチャンバと、高周波電流を出力する高周波電源と、前記高周波電流が流れることで高周波磁界を生成する磁界生成部と、前記磁界生成部に並列接続された並列コンデンサとを備えていることを特徴とする。この構成によると、磁界生成部に並列コンデンサが並列接続されているので、高周波電源から見た負荷のインピーダンスが高くなる。インピーダンスが高くなるので、高周波電源の出力が低電力であっても、磁界生成部に高い電圧を印加することができる。これにより、磁界生成部は、大きな高周波磁界を生成して、チャンバ内に大きな高周波電界を発生させることができる。したがって、低電力でプラズマ着火に必要な大きな高周波電界を発生させることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記並列コンデンサの静電容量は、前記磁界生成部の自己インダクタンスに基づいて、設定される。この構成によると、磁界生成部の自己インダクタンスに応じて、並列コンデンサの静電容量を設定することができ、高周波電源から見た負荷のインピーダンスを適切な値にすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記磁界生成部の自己インダクタンスをＬとし、前記高周波電流の角周波数をωとした場合、前記並列コンデンサの静電容量Ｃは下記式に基づいて算出されて設定される。
Ｃ＝１／（ω²Ｌ）
この構成によると、磁界生成部と並列コンデンサとで並列共振回路を構成することができ、高周波電源から見た負荷のインピーダンスを最大にすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記並列コンデンサは、前記高周波電源と前記磁界生成部と間に配置されている。この構成によると、汎用的な高周波電源を用いることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記並列コンデンサは、前記高周波電源の内部に配置されている。この構成によると、磁界生成部を高周波電源に接続するだけで、並列コンデンサを磁界生成部に並列接続させることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバは、導体製であって、トロイダル方向の一部を絶縁するための絶縁部を備えている。この構成によると、チャンバを電流経路の一部として利用することができる。または、チャンバにトロイダル方向の誘導電流が流れることを防止することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバは金属製である。この構成によると、チャンバの強度を保ちつつ、チャンバに電流を流すことができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記絶縁部は、前記チャンバをトロイダル方向の一部で切り離した隙間を維持したものである。この構成によると、チャンバをトロイダル方向で適切に絶縁することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバは、前記絶縁部を挟んだ両側の外壁にそれぞれ配置されたフランジをさらに備えており、筒状であって、前記チャンバの切り離された部分が両側から挿入された状態で、２つの前記フランジの間に配置されて、前記隙間の大きさを規定する中継アダプタを、前記プラズマ生成装置は、さらに備えている。この構成によると、中継アダプタを挟んだ状態で２つのフランジを固定することで、規定された隙間を維持することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記中継アダプタの内面と前記チャンバの外壁との間に配置され、両者に密着するように変形することで前記チャンバを密封状態に保つ弾性リングをさらに備えている。この構成によると、チャンバを密封状態に保つことができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバの一部を取り囲むように配置された磁気コアをさらに備えている。この構成によると、磁束が磁気抵抗の小さい磁気コア内を通過するので、同じ磁束を発生させるために必要な励磁電流を小さくできる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記磁界生成部は、前記チャンバである。この構成によると、チャンバが高周波電流を流す経路になる。当該経路の内側にプラズマ電流が流れる経路があり、両経路は近接して、両経路の中心軸がほぼ同じになる。これにより、漏れ磁束を減少させることができ、結合を強めることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記チャンバは、トロイダル方向の一部を絶縁するための第２の絶縁部と、前記第２の絶縁部を挟んだ、前記チャンバの両側の間に直列接続される直列コンデンサとをさらに備えている。この構成によると、第２の絶縁部の近傍でも電界結合を発生させることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記直列コンデンサのリアクタンスは、プラズマが発生した後の状態における前記磁界生成部のリアクタンスの約２分の１である。この構成によると、絶縁部の近傍で発生する電界結合と、第２の絶縁部の近傍で発生する電界結合とを同程度とすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記磁界生成部は、前記磁気コアに巻回された誘導コイルである。この構成によると、チャンバに高周波電流を流す必要がないので、チャンバの素材を導体とする必要がない。

本発明の第２の側面によって提供される高周波電源は、トロイダル形状の放電空間を有するチャンバに高周波電界を発生させるための高周波磁界を生成する磁界生成部に高周波電流を出力する高周波電源であって、出力端子間に並列接続された並列コンデンサを備えており、前記並列コンデンサの静電容量は、前記磁界生成部の自己インダクタンスに基づいて、設定されていることを特徴とする。この構成によると、高周波電源を磁界生成部に接続することで、磁界生成部に並列コンデンサを並列接続することができる。したがって、並列コンデンサを含めた負荷のインピーダンスを高くできる。また、当該インピーダンスを、磁界生成部の自己インダクタンスに応じた適切な値にすることができる。

本発明によると、磁界生成部に並列コンデンサが並列接続されているので、高周波電源から見た負荷のインピーダンスが高くなる。インピーダンスが高くなるので、高周波電源の出力が低電力であっても、磁界生成部に高い電圧を印加することができる。これにより、磁界生成部は、大きな高周波磁界を生成して、チャンバ内に大きな高周波電界を発生させることができる。したがって、低電力でプラズマ着火に必要な大きな高周波電界を発生させることができる。

第１実施形態に係るプラズマ生成装置を説明するための図であり、（ａ）は当該プラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図であり、（ｂ）は当該プラズマ生成装置の等価回路を示す回路図である。 第１実施形態に係るチャンバを説明するための図であり、（ａ）は当該チャンバの外観斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 絶縁ギャップを説明するための図であり、（ａ）は図２（ｂ）の破線ＩＩＩで囲まれた部分の断面拡大図であり、（ｂ）は当該部分の分解図である。 図２（ｂ）のＩＶ-ＩＶ線断面図である。 チャンバの変形例を示す図である。 第２実施形態に係るプラズマ生成装置を説明するための図であり、（ａ）は当該プラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図であり、（ｂ）は当該プラズマ生成装置の等価回路を示す回路図である。 第３実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。 第４実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図４は、第１実施形態に係るプラズマ生成装置を説明するための図である。図１（ａ）は、第１実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。図１（ｂ）は当該プラズマ生成装置の等価回路を示す回路図である。図２は、第１実施形態に係るチャンバを説明するための図である。図２(ａ)は、当該チャンバの外観斜視図であり、図２（ｂ）は、図２(ａ)のＩＩ-ＩＩ線断面図である。図３は、絶縁ギャップを説明するための図である。図３(ａ)は、図２（ｂ）の破線ＩＩＩで囲まれた部分の断面拡大図である。図３（ｂ）は、当該部分の分解図である。図４は、図２(ｂ)のＩＶ-ＩＶ線断面図である。

プラズマ生成装置Ａ１は、トロイダル形状の放電空間において、電磁誘導により高周波電界を発生させることで、放電空間に導入された材料ガスをプラズマ化し、トロイダルプラズマを発生させる、誘導結合型のプラズマ生成装置である。プラズマ生成装置Ａ１は、プラズマ化された材料ガスを、反応性ガスとして、薄膜形成処理やエッチング処理などのプラズマ処理工程に排出する。図１に示すように、プラズマ生成装置Ａ１は、チャンバ１、磁気コア２、高周波電源３、接続線４、および、並列コンデンサ６を備えている。

チャンバ１は、トロイダル形状の放電空間を有し、トロイダルプラズマを発生させるものである。図２に示すように、チャンバ１の本体１１は、軸に直交する断面が略円形状の筒の先端と基端とを接続して、全体として長円形状に形成したトロイダル形状をなしている。チャンバ１は、材料ガスを本体１１に導入するための開口であるインレットポート１２、および、プラズマ化された材料ガスである反応性ガスを本体１１から排出するための開口であるアウトレットポート１３を備えている。本実施形態においては、材料ガスが通過する２つの経路が同等の長さになるように、インレットポート１２の位置とアウトレットポート１３の位置とは、チャンバ１の本体１１の周方向において互いに反対側となる位置としている。なお、インレットポート１２の位置とアウトレットポート１３の位置は、これに限定されない。チャンバ１は、アルミニウムなどの金属製である。なお、チャンバ１の素材はこれに限定されず、銅や鉄など他の金属であってもよい。また、ある程度強度があり、電流を流すものであればよく、例えば、超伝導セラミックやカーボンなどの導体であってもよい。また、チャンバ１の本体１１の断面（トロイダル方向の軸に直交する断面）は、略円形状に限定されず、長円形状や楕円形状、四角形などの多角形状であってもよい。

チャンバ１の本体１１には、トロイダル方向の一部で切り離された絶縁ギャップ１１ａ（図１および図３参照）が設けられている。図３に示すように、絶縁ギャップ１１ａは、本体１１の外壁１１ｂに設けられた２つのフランジ１１ｄ、２つのフランジ１１ｄの間に配置される絶縁スペーサ１４および中継アダプタ１５によって、隙間が維持されている部分であり、本体１１の切り離された部分を電気的に絶縁するためのものである。

絶縁スペーサ１４は、例えば絶縁性のセラミックのリングであり、チャンバ１の本体１１の切り離された部分が挿入されて、フランジ１１ｄに当接するように配置されている。絶縁スペーサ１４は、本体１１と中継アダプタ１５とが接触しないようにして、本体１１と中継アダプタ１５とを電気的に絶縁する。本体１１の切り離された部分の両側にそれぞれ配置されているので、２つの絶縁スペーサ１４が用いられている。なお、絶縁スペーサ１４の素材は限定されず、本体１１と中継アダプタ１５との間に空間を生じさせられる剛性を有する絶縁体であればよい。

中継アダプタ１５は、チャンバ１の本体１１の切り離された部分を、絶縁ギャップ１１ａを維持した状態で、接続するものである。中継アダプタ１５は、例えばアルミニウム製の円筒であり、内側部分が階段状になっている。本体１１の切り離された部分が、中継アダプタ１５の両側から挿入され、両側のフランジ１１ｄ同士が、例えばボルトとナットで固定される。中継アダプタ１５および２つの絶縁スペーサ１４によって、両側のフランジ１１ｄの間隔が規定され、本体１１の切り離された部分が、所定の隙間を空けて固定される。当該所定の隙間が、絶縁ギャップ１１ａになる。「絶縁ギャップ１１ａ」が、本発明の「絶縁部」に相当する。なお、「絶縁ギャップ１１ａ」および「絶縁スペーサ１４」をまとめて、本発明の「絶縁部」と考えることもできる。

また、チャンバ１の本体１１を密封するために、中継アダプタ１５と絶縁スペーサ１４との間に、Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７が配置されている。

Ｏリング１６は、例えばフッ素系ゴム製のリングである。Ｏリング１６は、絶縁スペーサ１４と中継アダプタ１５との間で、チャンバ１の本体１１の切り離された部分が挿入されて、配置されている。Ｏリング１６は、変形して、中継アダプタ１５の内面および本体１１の外壁１１ｂに密着し、本体１１を密封状態に保つ。なお、Ｏリング１６の素材は限定されず、弾力があって、中継アダプタ１５の内面と本体１１の外壁１１ｂとの間の隙間を密閉できるものであり、絶縁体であればよい。また、化学的に安定で耐熱性が高いものが望ましい。「Ｏリング１６」が、本発明の「弾性リング」に相当する。

Ｏリング加圧リング１７は、例えばテフロン（登録商標）製のリングである。Ｏリング加圧リング１７は、絶縁スペーサ１４とＯリング１６との間で、チャンバ１の本体１１の切り離された部分が挿入されて、配置されている。Ｏリング加圧リング１７は、Ｏリング１６側に向かうほど内径が大きくなるように、内周面のＯリング１６側に傾斜が設けられている。Ｏリング加圧リング１７は、当該傾斜によってＯリング１６を加圧して変形を促すことで、Ｏリング１６の中継アダプタ１５および本体１１との密着性を高めている。なお、Ｏリング加圧リング１７の素材は限定されず、Ｏリング１６を加圧できる剛性を有する絶縁体であればよい。また、化学的に安定で耐熱性が高いものが望ましい。また、Ｏリング１６に接する側の傾斜は、必ずしも必要ではない。

Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７は、本体１１の切り離された部分の両側にそれぞれ配置されているので、それぞれ２つずつ用いられている。なお、Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７の構成は上述したものに限定されない。Ｏリング加圧リング１７でＯリング１６を加圧することによってＯリング１６を変形させて、本体１１を密封状態に保つように構成すればよい。また、Ｏリング１６のみで本体１１を密封状態に保てるのであれば、Ｏリング加圧リング１７を備えないようにしてもよい。また、本体１１の内部で生成された反応性ガスに対する耐性の高い部材を、Ｏリング１６よりも絶縁ギャップ１１ａ側に配置して、Ｏリング１６を保護するようにしてもよい。

図３（ａ）に示すように、Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７は、絶縁ギャップ１１ａから離れた位置に配置されるので、反応性ガスに晒されにくくなっており、反応性ガスによって劣化することを抑制されている。

本実施形態では、絶縁ギャップ１１ａを数ｍｍ程度の隙間としている。絶縁ギャップ１１ａが大きいほど、絶縁を保ちやすいが、反応性ガスが絶縁ギャップ１１ａの外側に侵入しやすくなるので、Ｏリング１６およびＯリング加圧リング１７が劣化しやすくなる。したがって、絶縁ギャップ１１ａは、絶縁を保てる範囲で、できるだけ小さくするのが望ましい。本実施形態では、中継アダプタ１５の軸方向の長さによって、絶縁ギャップ１１ａの大きさが決定される。したがって、中継アダプタ１５を取り換えることで、容易に、絶縁ギャップ１１ａの大きさを変更することができる。

なお、絶縁ギャップ１１ａを維持するための構造は、これに限られない。本実施形態では、中継アダプタ１５をアルミニウム製としたので、中継アダプタ１５と本体１１とが接触しないように絶縁スペーサ１４を配置しているが、中継アダプタ１５が絶縁体でできていれば、絶縁スペーサ１４を配置しなくてもよい。この場合、「絶縁ギャップ１１ａ」および「中継アダプタ１５」が、本発明の「絶縁部」に相当する。また、他の構造であっても、絶縁ギャップ１１ａを維持し、本体１１を密閉できるものであればよい。なお、本体１１を密閉でき、かつ、電気的に絶縁できればよいので、絶縁ギャップ１１ａを設ける代わりに、例えば、反応性ガスに対する耐性の高い絶縁体の樹脂などで、本体１１の切り離された部分を接続するようにしてもよい。この場合、当該「絶縁体の樹脂」が、本発明の「絶縁部」に相当する。

磁気コア２は、強磁性体のトロイダル形状のコアである。４つの磁気コア２は、それぞれがチャンバ１の本体１１の一部を取り囲むように（各磁気コア２を本体１１が貫通するように）設けられている。なお、磁気コア２の形状は限定されず、例えば四角形の環形状であってもよい。

高周波電源３は、高周波電力を出力するものであり、電力系統からの交流電力を整流回路で直流電力に変換し、直流電力をインバータ回路で高周波電力に変換して出力する。また、高周波電源３は、制御回路を備えており、出力電力や出力電流を制御している。本実施形態では、高周波電源３は、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する。なお、高周波電源３の構成および周波数は限定されない。

接続線４は、高周波電源３の出力端子と、チャンバ１とを接続するものである。一方の接続線４は、高周波電源３の一方の出力端子とチャンバ１の一方のフランジ１１ｄ（図1においては記載を省略）とを接続し、他方の接続線４は、高周波電源３の他方の出力端子とチャンバ１の他方のフランジ１１ｄ（図1においては記載を省略）とを接続する。チャンバ１の本体１１は、２つのフランジ１１ｄの間で、絶縁ギャップ１１ａによって、電気的に絶縁されている。したがって、図１の細線矢印で示す電流経路が形成され、高周波電源３が出力する高周波電流は、チャンバ１の本体１１をトロイダル方向に流れる。チャンバ１（本体１１）はコイルとして機能し、トロイダルの中心孔１１ｅを貫く方向に高周波磁界を生成する。本実施形態においては、「チャンバ１（本体１１）」が、本発明の「磁界生成部」に相当する。なお、各接続線４は、各フランジ１１ｄではなく、チャンバ１の外壁１１ｂに接続するようにしてもよい。

並列コンデンサ６は、２つの接続線４の間に接続されるコンデンサであり、コイルとして機能するチャンバ１に対して並列接続されている。チャンバ１がコイルとして機能するので、プラズマ生成装置Ａ１を電気回路としてみたときの等価回路は、図１（ｂ）に示す回路になる。なお、図１（ｂ）において破線で示すコンデンサは、コンデンサとして機能する絶縁ギャップ１１ａを示している。ただし、絶縁ギャップ１１ａによるコンデンサの静電容量は、並列コンデンサ６の静電容量と比べて微小（例えば数百分の一程度）なので、無視して考える。

チャンバ１の自己インダクタンスをＬとし、チャンバ１を流れる高周波電流の角周波数をωとした場合、並列コンデンサ６の静電容量Ｃ₁は、下記（１）式を満たすように設計されている。
Ｃ₁＝１／（ω²Ｌ） ・・・・ （１）

すなわち、チャンバ１と並列コンデンサ６とを合わせたインピーダンスＺは、下記（２）式のように求められる。このインピーダンスＺを最大にする条件として、上記（１）式が導出される。
Ｚ＝１／｛（１／ｊωＬ）+ｊωＣ₁｝
＝ｊωＬ／（１−ω²ＬＣ₁） ・・・・ （２）

つまり、チャンバ１と並列コンデンサ６とは、並列共振回路を構成している。なお、完全な並列共振回路として設計すると、高周波電源３の出力電圧が高くなる。高周波電源３を構成する各回路素子の耐圧を考慮して、並列コンデンサ６の静電容量Ｃ₁を上記（１）式の条件より少しずらして、インピーダンスＺを調整するようにしてもよい。

また、絶縁ギャップ１１ａによるコンデンサの静電容量を考慮して、並列コンデンサ６の静電容量Ｃ₁を設計するようにしてもよい。この場合、絶縁ギャップ１１ａによるコンデンサの静電容量をＣgapとすると、並列コンデンサ６の静電容量Ｃ₁は、下記（１）式を満たすように設計される。
Ｃ₁＝１／（ω²Ｌ）−Ｃgap ・・・・ （３）

なお、図示しないが、プラズマ生成装置Ａ１は、チャンバ１の本体１１内部のプラズマの電流や電力を検出するためのセンサや、プラズマの発光光を検出するためのセンサなども備えている。高周波電源３は、センサの検出結果に応じて出力を制御するようにしてもよい。

また、高周波電源３の出力端にインピーダンス整合装置を配置して、高周波電源３から見た負荷全体のインピーダンスを所望のインピーダンスに調整するようにしてもよい。この場合、インピーダンス整合装置は、プラズマ着火時は稼働しないようにして、プラズマ着火後に稼働するように制御する。

次に、プラズマの発生方法について説明する。

チャンバ１の本体１１内部には、インレットポート１２より材料ガスが導入される。材料ガスは、例えばフッ素ガスなどであるが、限定されない。

高周波電流がチャンバ１の本体１１をトロイダル方向に流れることにより、各磁気コア２の内部を通過する磁束が変化する。各磁気コア２の磁束の変化により、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間に、トロイダル方向の高周波電界が発生する。当該電界によって、本体１１内部の材料ガスがプラズマ化し、トロイダルプラズマが生成され、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間をトロイダル方向にプラズマ電流が流れる。

例えば、図４に示すチャンバ１の本体１１の左側の断面において、本体１１に紙面の手前側に向かって電流が流れると、磁気コア２の内部に反時計回りの主磁束（同図に示す太線矢印参照）が発生する。そして、本体１１の内側の放電空間において、電磁誘導により、当該主磁束を打ち消そうとする逆起電力が誘起され、紙面の奥側に向かう電界が発生する。このとき、図４に示すチャンバ１の本体１１の右側の断面においては、本体１１に紙面の奥側に向かって電流が流れるので、磁気コア２の内部に時計回りの主磁束（同図に示す太線矢印参照）が発生し、本体１１の内側の放電空間に紙面の手前側に向かう電界が発生する。つまり、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間に、トロイダル方向の高周波電界が発生する。

プラズマ化された材料ガスは、反応性ガスとして、アウトレットポート１３より排出される。

次に、本実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１の作用および効果について説明する。

本実施形態によると、チャンバ１に並列コンデンサ６が並列接続され、チャンバ１と並列コンデンサ６とは、並列共振回路を構成している。したがって、高周波電源３から見た負荷のインピーダンスＺは高くなる。インピーダンスＺが高くなるので、高周波電源３の出力が低電力であっても、チャンバ１に高い電圧を印加することができる。これにより、チャンバ１は、大きな高周波磁界を生成して、チャンバ１の本体１１の内側に大きな高周波電界を発生させることができる。つまり、低電力でプラズマ着火に必要な大きな高周波電界を発生させることができる。したがって、高周波電源３は、大きな電力を出力する必要がない。また、紫外線照射装置や高電圧パルスを印加するための電極を別途設ける必要もない。なお、並列コンデンサ６の静電容量Ｃ₁を共振条件より少しずらした場合でも、高周波電源３から見た負荷のインピーダンスＺは十分高くなるので、同様の効果を奏することができる。

また、本実施形態によると、高周波電源３が出力した高周波電流がチャンバ１の本体１１をトロイダル方向に流れ、プラズマ電流がチャンバ１の本体１１の内側の放電空間をトロイダル方向に流れる。つまり、励磁電流である高周波電流が流れる経路の内側にプラズマ電流が流れる経路があり、両経路は近接して、両経路の中心軸がほぼ同じである。図４に示すように、漏れ磁束（細線矢印参照）は、チャンバ１の本体１１の内壁１１ｃと、トロイダルプラズマＰとの間のプラズマシース部分にのみ発生する。プラズマシース部分は狭い領域である上に磁気抵抗が大きいので、漏れ磁束は、ごくわずかしか発生しない。したがって、漏れ磁束を減少させることができ、結合を強めることができる。これにより、高周波電源３が出力する電力を有効利用することができる。また、磁束を変化させるための誘導コイルが必要ないので、誘導コイルのための設置スペースを省くことができ、プラズマ生成装置Ａ１を小型化することができる。また、製造コストを削減することができる。

また、本実施形態においては、磁気コア２が設けられており、磁束が磁気抵抗の小さい磁気コア２内を通過するので、同じ磁束を発生させるために必要な励磁電流が小さくなる。したがって、高周波電源３から出力させる高周波電流を抑制することができる。また、チャンバ１の本体１１を流れる電流を小さくできるので、チャンバ１での発熱を抑制することができる。

なお、上記第１実施形態においては、磁気コア２を４つ設けた場合について説明したが、これに限られず、磁気コア２の数は、その断面積に応じて、適宜設計すればよい。また、高周波電源３が周波数の高い高周波電流を出力する場合などには、磁気コア２を設けないようにしてもよい。この変形例の場合でも、高周波電流がチャンバ１の本体１１をトロイダル方向に流れると、本体１１の中心孔１１ｅを貫く磁束が変化するので、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間に、トロイダル方向の高周波電界が発生し、トロイダルプラズマが生成される。また、並列コンデンサ６が設けられているので、高周波電源３から見た負荷のインピーダンスＺは高くなる。したがって、本変形例においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本変形例の場合、磁気コア２を設ける必要がないので、プラズマ生成装置Ａ１をより小型化することができ、また、製造コストを削減することができる。

上記第１実施形態においては、チャンバ１の本体１１が、長円形のトロイダル形状の場合について説明したが、これに限られない。本体１１は、例えば、円形や楕円形のトロイダル形状であってもよい。また、図５に示すチャンバ１’のように、四角形の環形状としてもよいし、当該四角形の角部を曲線状とした略四角形の環形状としてもよい。また、その他の多角形の環形状としてもよい。これらの場合でも、本体１１の内部の放電空間に、トロイダルプラズマを発生させることができる。また、並列コンデンサ６が設けられているので、高周波電源３から見た負荷のインピーダンスＺは高くなる。したがって、本変形例においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１の場合、インレットポート１２から導入された材料ガスは、二手に分かれて、本体１１の内部のプラズマ中を通過し、アウトレットポート１３から排出される。絶縁ギャップ１１ａの近傍では、電位差による高周波電界が発生し、電界結合も発生するので、プラズマ化されやすい。したがって、絶縁ギャップ１１ａを通過する場合（図１に示す本体１１の右側の経路）と、絶縁ギャップ１１ａを通過しない場合（図１に示す本体１１の左側の経路）とでは、材料ガスのプラズマ化の度合いが異なり、排出される反応性ガスが不均一になる。当該不均一を抑制するようにした場合を、第２実施形態として、以下に説明する。

図６は、第２実施形態に係るプラズマ生成装置を説明するための図である。図６（ａ）は、第２実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。図６（ａ）において、第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１（図１（ａ）参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図６（ａ）に示すように、プラズマ生成装置Ａ２は、チャンバ１の本体１１に絶縁ギャップ１１ａ’が追加され、当該絶縁ギャップ１１ａ’を挟むように、チャンバ１の本体１１に直列コンデンサ６’が接続されている点で、第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１と異なる。

絶縁ギャップ１１ａ’は、絶縁ギャップ１１ａと同様、チャンバ１の本体１１を電気的に絶縁するためのものである。絶縁ギャップ１１ａ’は、チャンバ１の本体１１における絶縁ギャップ１１ａの反対側の位置に配置されている。絶縁ギャップ１１ａ’の周囲の構造も、絶縁ギャップ１１ａ（図３参照）と同様である。「絶縁ギャップ１１ａ’」が、本発明の「第２の絶縁部」に相当する。

直列コンデンサ６’は、リアクタンスが、プラズマが発生した後の状態におけるチャンバ１のリアクタンスの約２分の１のコンデンサである。直列コンデンサ６’は、絶縁ギャップ１１ａ’を挟むように、接続線５によって、チャンバ１の本体１１に接続されている。これにより、高周波電源３が出力する高周波電流は、接続線４、チャンバ１の本体１１の半分、接続線５、直列コンデンサ６’、接続線５、チャンバ１の本体１１の半分、および、接続線４によって形成された電流経路（図６に示す細線矢印）を流れる。

図６（ｂ）は、プラズマ生成装置Ａ２の等価回路を示したものである。

プラズマが発生した後の状態におけるチャンバ１のリアクタンスをＸ_L、並列コンデンサ６のリアクタンスをＸ_C1、直列コンデンサ６’のリアクタンスをＸ_C2とする。チャンバ１が絶縁ギャップ１１ａ，１１ａ’によって２つの部分に分けられているので、図６（ｂ）においては、一方の部分のリアクタンスをＸ_L1、他方の部分のリアクタンスをＸ_L2として表している。Ｘ_L1＋Ｘ_L2＝Ｘ_Lとなる。Ｘ_C2＝（１／２）Ｘ_Lなので、絶縁ギャップ１１ａの両端間の電位差Ｖ１、および、絶縁ギャップ１１ａ’の両端間の電位差Ｖ２は、それぞれ下記（４）、（５）式のようになる。なお、チャンバ１の本体１１に流れる電流をＩとしている。
Ｖ１＝ｊ（Ｘ_L−Ｘ_C2）×Ｉ＝ｊ（１／２）Ｘ_L×Ｉ ・・・・ （４）
Ｖ２＝−ｊＸ_C2×Ｉ＝−ｊ（１／２）Ｘ_L×Ｉ ・・・・ （５）

上記（４）、（５）式より、｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜となり、絶縁ギャップ１１ａの近傍と絶縁ギャップ１１ａ’の近傍とでは、同じ大きさの高周波電界が発生する。したがって、絶縁ギャップ１１ａ’の近傍でも、絶縁ギャップ１１ａの近傍と同様の電界結合が発生する。

第２実施形態の場合、直列コンデンサ６’があるので、第１実施形態の場合とは共振条件が異なる。直列コンデンサ６’の静電容量をＣ₂とすると、チャンバ１と並列コンデンサ６と直列コンデンサ６’とを合わせたインピーダンスＺ’は、下記（６）式のように求められる。このインピーダンスＺ’を最大にする条件として、下記（７）式が導出される。並列コンデンサ６の静電容量Ｃ₁は、下記（７）式を満たすように設計される。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第２実施形態においては、絶縁ギャップ１１ａの近傍で発生する電界結合と、絶縁ギャップ１１ａ’の近傍で発生する電界結合とが同程度なので、絶縁ギャップ１１ａを通過する場合（図６（ａ）に示す本体１１の右側の経路）と、絶縁ギャップ１１ａ’を通過する場合（図６（ａ）に示す本体１１の左側の経路）とで、材料ガスのプラズマ化の度合いが同様になる。したがって、排出される反応性ガスが不均一になることを抑制することができる。

第２実施形態においては、絶縁ギャップ１１ａの位置と絶縁ギャップ１１ａ’の位置とが、チャンバ１の本体１１において互いに反対側となる位置である場合について説明したが、これに限られない。インレットポート１２からアウトレットポート１３に至る２つの経路のうちのいずれか一方の途中に絶縁ギャップ１１ａが設けられ、他方の途中に絶縁ギャップ１１ａ’が設けられていればよい。

上記第１および第２実施形態においては、本体１１に高周波電流を流すことで高周波磁界を生成する場合について説明したが、これに限られない。磁気コア２に巻回された誘導コイルに高周波電流を流すことで高周波磁界を生成する場合について、第３実施形態として、以下に説明する。

図７は、第３実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。図７において、第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１（図１（ａ）参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図７に示すように、プラズマ生成装置Ａ３は、磁気コア２が１つであって、当該磁気コア２に巻回された誘導コイル７を備えており、各接続線４が誘導コイル７の各端子に接続されている点で、第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１と異なる。本実施形態においては、「誘導コイル７」が、本発明の「磁界生成部」に相当する。

第３実施形態においては、高周波電源３が出力した高周波電流は、誘導コイル７を流れる。これにより、磁気コア２の内部を通過する磁束が変化する。磁気コア２の磁束の変化により、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間に、トロイダル方向の高周波電界が発生する。当該電界によって、本体１１内部の材料ガスがプラズマ化し、トロイダルプラズマが生成され、チャンバ１の本体１１の内側の放電空間をトロイダル方向にプラズマ電流が流れる。

第３実施形態によると、誘導コイル７に並列コンデンサ６が並列接続され、誘導コイル７と並列コンデンサ６とは、並列共振回路を構成している。したがって、高周波電源３から見た負荷のインピーダンスＺは高くなる。インピーダンスＺが高くなるので、高周波電源３の出力が低電力であっても、誘導コイル７に高い電圧を印加することができる。これにより、誘導コイル７は、大きな高周波磁界を生成して、チャンバ１の本体１１の内側に大きな高周波電界を発生させることができる。つまり、低電力でプラズマ着火に必要な大きな高周波電界を発生させることができる。

第３実施形態においては、第１および第２実施形態とは異なり、チャンバ１に電流を流す必要がないので、チャンバ１の素材は導体でなくてもよい。また、チャンバ１の本体１１に絶縁ギャップ１１ａを設ける必要もない。逆に、チャンバ１の素材を金属などの導体とする場合は、チャンバ１の本体１１の外壁に、トロイダル方向の誘導電流が流れることを防止するために、図１に示す絶縁ギャップ１１ａと同様な絶縁ギャップを設けるのが望ましい。

上記第１ないし第３実施形態においては、並列コンデンサ６が２つの接続線４の間に接続されている場合について説明したが、これに限られない。例えば、並列コンデンサ６を、高周波電源３の内部に配置するようにしてもよいし、チャンバ１の絶縁ギャップ１１ａを挟む２つのフランジ１１ｄの間に配置するようにしてもよい。並列コンデンサ６を、高周波電源３の内部に配置した場合を、第４実施形態として、以下に説明する。

図８は、第４実施形態に係るプラズマ生成装置の全体を示す簡略化した概念図である。図８において、第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１（図１（ａ）参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。図８に示すように、プラズマ生成装置Ａ４は、並列コンデンサ６が高周波電源３’の内部に配置されている点で、第１実施形態に係るプラズマ生成装置Ａ１と異なる。

高周波電源３’は、内部の出力端子間に並列接続された並列コンデンサ６を備えている。並列コンデンサ６の静電容量は、第１実施形態と同様に、チャンバ１の自己インダクタンスに基づいて、上記（１）式を満たすように設計されている。したがって、第４実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第４実施形態においては、並列コンデンサ６が高周波電源３’の内部に配置されているので、接続線４でチャンバ１を高周波電源３’の出力端子に接続すればよいだけである。

本発明に係るプラズマ生成装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るプラズマ生成装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ プラズマ生成装置
１，１’ チャンバ（磁界生成部）
１１ 本体（磁界生成部）
１１ａ 絶縁ギャップ（絶縁部）
１１ａ’ 絶縁ギャップ（第２の絶縁部）
１１ｂ 外壁
１１ｃ 内壁
１１ｄ フランジ
１１ｅ 中心孔
１２ インレットポート
１３ アウトレットポート
１４ 絶縁スペーサ
１５ 中継アダプタ
１６ Ｏリング（弾性リング）
１７ Ｏリング加圧リング
２ 磁気コア
３，３’ 高周波電源
４，５ 接続線
６ 並列コンデンサ
６’ 直列コンデンサ
７ 誘導コイル（磁界生成部）
Ｐ トロイダルプラズマ

Claims (7)

1. トロイダル形状の放電空間を有するチャンバと、
   高周波電流を出力する高周波電源と、
   前記高周波電流が流れることで高周波磁界を生成する磁界生成部と、
   前記磁界生成部に並列接続された並列コンデンサと、
   を備え、
   前記チャンバは、導体製であって、トロイダル方向の一部を絶縁するための絶縁部を備えている、
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 前記チャンバは金属製である、
   請求項１に記載のプラズマ生成装置。
3. 前記絶縁部は、前記チャンバをトロイダル方向の一部で切り離した隙間を維持したものである、
   請求項１または２に記載のプラズマ生成装置。
4. 前記チャンバは、前記絶縁部を挟んだ両側の外壁にそれぞれ配置されたフランジをさらに備えており、
   筒状であって、前記チャンバの切り離された部分が両側から挿入された状態で、２つの前記フランジの間に配置されて、前記隙間の大きさを規定する中継アダプタをさらに備えている、
   請求項３に記載のプラズマ生成装置。
5. 前記中継アダプタの内面と前記チャンバの外壁との間に配置され、両者に密着するように変形することで前記チャンバを密封状態に保つ弾性リングをさらに備えている、
   請求項４に記載のプラズマ生成装置。
6. 前記チャンバは、
   トロイダル方向の一部を絶縁するための第２の絶縁部と、
   前記第２の絶縁部を挟んだ、前記チャンバの両側の間に直列接続される直列コンデンサと、
   をさらに備えている、
   請求項１ないし５のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
7. 前記直列コンデンサのリアクタンスは、プラズマが発生した後の状態における前記磁界生成部のリアクタンスの約２分の１である、
   請求項６に記載のプラズマ生成装置。