JP2007220589A - プラズマ発生ノズルおよびプラズマ発生装置ならびにそれを用いるワーク処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の改質等、ワークの処理などに使用され、同心状の内側導電体と外側導電体とを用い、両導電体間にマイクロ波による電界を印加することで、グロー放電を生じさせてプラズマを発生させ、処理ガスを両導電体間で旋回させながら吹出すことで高密度なプラズマを生成し、被処理ワークに放射するように構成されたプラズマ発生ノズルにおいて、ガスの種類や流速などの変化によるプラズマインピーダンスの変化によるノズルの特性インピーダンスとの不整合を無くし、内側導電体から導波管への反射を抑える。
【解決手段】外側導電体であるノズル本体の下側胴部３３Ｂに、脱着可能なスリーブ３９１〜３９３を嵌め込み、その内径を変化させる。したがって、プラズマインピーダンスの変化に対して、特性インピーダンスの整合を図り、インピーダンスの異なる境界となるノズル先端でのマイクロ波の反射を抑え、受信電力の殆どを消費することができる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、基板等の被処理ワークなどに対してプラズマを照射することで、前記ワークの表面の清浄化や改質などを図ることが可能なプラズマ発生ノズルおよびプラズマ発生装置ならびにそれを用いるワーク処理装置に関する。

たとえば半導体基板等の被処理ワークに対してプラズマを照射し、その表面の有機汚染物の除去、表面改質、エッチング、薄膜形成または薄膜除去等を行うワーク処理装置が知られている。たとえば特許文献１には、同心状の内側導電体と外側導電体とを有するプラズマ発生ノズルを用い、両導電体間に高周波のパルス電界を印加することで、アーク放電ではなく、グロー放電を生じさせてプラズマを発生させ、ガス供給源からの処理ガスを両導電体間で旋回させながら基端側から遊端側へ向かわせることで高密度なプラズマを生成し、前記遊端に取付けられたノズルから被処理ワークに放射することで、常圧下で高密度なプラズマを得ることができるプラズマ処理装置が開示されている。
特開２００３−１９７３９７号公報

上述のようなノズル構造では、図１５に示すように、内側導電体１と外側導電体２との間には、本来、特性インピーダンスＺ１を有する。しかしながら、プルームＰが点灯すると、ノズル先端３で、参照符号４で示すように、それらの導電体１，２間はプラズマのインピーダンスＺ２で接続されることになる。このノズル先端３の終端インピーダンス（プラズマインピーダンス）Ｚ２は、ガスの種類や流速、プラズマ発生ノズル５の消費電力などに依存すると考えられ、それらによって変化する。したがって、その終端インピーダンスＺ２を前記特性インピーダンスＺ１に近くなるように設定しておいても、前記ガスの種類や流速などを変化してしまうと、インピーダンスの不整合を生じ（同軸伝送路のインピーダンスと、負荷インピーダンスとが異なり）、このプラズマ発生ノズル５に供給された電力（マイクロ波）が、インピーダンスの異なる境界となる前記ノズル先端３での反射してしまうという問題がある。

詳しくは、前記内側導電体１の外径をａ、外側導電体２の内径をｂ、それらの間の空間の比透磁率をμ、比誘電率をεとすると、インピーダンスＺは、

で表すことができ、前記ガスの種類や流速などが変化すると、透磁率μや比誘電率εが変化してしまう。

特にマイクロ波発生手段からこのプラズマ発生ノズル５までマイクロ波が導波管によって伝搬され、前記導波管に、プラズマ発生ノズルがマイクロ波の進行方向に複数取付けられる場合には、前記反射波によって導波管内の定在波のパターンが変化してしまい、マイクロ波を捉えられないノズルが発生する可能性がある。

本発明の目的は、ガスの種類や流速などの変化によるプラズマインピーダンスの変化に対して、プラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを整合することができるプラズマ発生ノズルおよびプラズマ発生装置ならびにそれを用いるワーク処理装置を提供することである。

本発明のプラズマ発生ノズルは、同心状の内側導電体と外側導電体とを有し、所定の特性インピーダンスを有するプラズマ発生ノズルにおいて、前記内側導電体と外側導電体との間において、いずれかの導電体と同電位とされて配置され、当該プラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを調整するスリーブが脱着可能とされていることを特徴とする。

上記の構成によれば、同心状の内側導電体と外側導電体とを用い、両導電体間にマイクロ波による電界を印加することで、アーク放電ではなく、グロー放電を生じさせてプラズマを発生させるプラズマ発生ノズルにおいて、前記マイクロ波の波長は利用可能な帯域の関係で変化されることは少ないが、ガスの種類や流速、プラズマ発生ノズルの消費電力は変化される可能性がある。そこで、脱着可能なスリーブを用い、このスリーブを前記内側導電体と外側導電体とのいずれかの導電体と同電位となるように配置することで、当該プラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを調整する。

したがって、前記ガスの種類や流速、プラズマ発生ノズルの消費電力などの変化によるノズルの終端インピーダンス（プラズマインピーダンス）の変化に対して、前記スリーブを脱着および／または適宜種類の異なるものに交換することで、インピーダンス整合を図り、インピーダンスの異なる境界となるノズル先端でのマイクロ波の反射を抑え、受信電力の殆どを消費することができる。

また、本発明のプラズマ発生ノズルでは、前記スリーブは、導電性を有し、前記内側導電体に外嵌めして該内側導電体の外径を拡大するスリーブと、前記外側導電体に内嵌めして該外側導電体の内径を縮小するスリーブとの少なくとも一方であることを特徴とする。

上記の構成によれば、上述のようなプラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを調整することができるスリーブを具体的に実現することができる。

さらにまた、本発明のプラズマ発生装置は、マイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波が導波管を介して伝搬され、プラズマ発生部において、前記のプラズマ発生ノズルが前記導波管に複数個配列して取付けられて成り、前記マイクロ波は、前記プラズマ発生ノズルの前記内側導電体で受信され、前記導波管を介して接地されている前記外側導電体との間でプラズマ化したガスを生成して放出することを特徴とする。

上記の構成によれば、マイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波が導波管を介して伝搬され、プラズマ発生部では、前記のプラズマ発生ノズルが前記導波管に複数個配列して取付けられて構成されるプラズマ発生装置では、前記マイクロ波発生手段からのマイクロ波は、導波管に配列された複数の各プラズマ発生ノズルの内側導電体で順に捉えられてプラズマ作成に使用される。

したがって、各プラズマ発生ノズルそれぞれで、前述のように受信電力を完全に消費すると、前述のように反射波（プラズマ発生ノズルの受電手段から導波管内へ再放射されるマイクロ波）の影響は無くなる。このため、ガスの種類や流速などを切換えても、複数個設けられるプラズマ発生ノズルのそれぞれで、前述のようにスリーブによってプラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを調整することで、導波管内の定在波の位相を調整する必要は無くなり、それぞれのプラズマ発生ノズルで、常に高い効率でマイクロ波を受信することができる。

また、本発明のワーク処理装置は、前記のプラズマ発生装置に、そのプラズマ照射方向とは交差する面上で前記ワークとプラズマ発生ノズルとを相対的に移動させる移動手段を備え、相対的な移動を行いつつ、前記ワークにプラズマを照射して所定の処理を施与することを特徴とする。

上記の構成によれば、ガスの種類や流速、プラズマ発生ノズルの消費電力などの変化によるノズルの終端インピーダンスの変化に対して、プラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを整合することができるワーク処理装置を実現することができる。

本発明のプラズマ発生ノズルは、以上のように、同心状の内側導電体と外側導電体とを用い、両導電体間にマイクロ波による電界を印加することで、グロー放電を生じさせてプラズマを発生させるように構成されたプラズマ発生ノズルにおいて、脱着可能なスリーブを用い、このスリーブを前記内側導電体と外側導電体とのいずれかの導電体と同電位となるように配置することで、当該プラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを調整する。

それゆえ、ガスの種類や流速、プラズマ発生ノズルの消費電力などの変化によるノズルの終端インピーダンス（プラズマインピーダンス）の変化に対して、前記スリーブを脱着および／または適宜種類の異なるものに交換することで、インピーダンス整合を図り、インピーダンスの異なる境界となるノズル先端でのマイクロ波の反射を抑え、受信電力の殆どを消費することができる。

さらにまた、本発明のプラズマ発生装置は、以上のように、マイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波が導波管を介して伝搬され、プラズマ発生部において、前記のプラズマ発生ノズルが前記導波管に複数個配列して取付けられて成り、前記マイクロ波は、前記プラズマ発生ノズルの前記内側導電体で受電され、前記導波管を介して接地されている前記外側導電体との間でプラズマ化したガスを生成して放出する構造とする。

それゆえ、ガスの種類や流速などを切換えても、複数個設けられるプラズマ発生ノズルのそれぞれで、前述のようにスリーブによってプラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを調整することで、各プラズマ発生ノズルのそれぞれで受信電力を完全に消費し、反射波の影響は無くなるので、導波管内の定在波の位相を調整する必要は無くなり、それぞれのプラズマ発生ノズルで、常に高い効率でマイクロ波を受信することができる。

また、本発明のワーク処理装置は、以上のように、前記のプラズマ発生装置に、そのプラズマ照射方向とは交差する面上で前記ワークとプラズマ発生ノズルとを相対的に移動させる移動手段を備え、相対的な移動を行いつつ、前記ワークにプラズマを照射して所定の処理を施与する。

それゆえ、ガスの種類や流速、プラズマ発生ノズルの消費電力などの変化によるノズルの終端インピーダンスの変化に対して、プラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを整合することができるワーク処理装置を実現することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係るワーク処理装置Ｓの全体構成を示す斜視図である。このワーク処理装置Ｓは、プラズマを発生し被処理物となるワークＷに前記プラズマを照射するプラズマ発生ユニットＰＵ（プラズマ発生装置）と、ワークＷを前記プラズマの照射領域を経由する所定のルートで搬送する搬送手段Ｃとから構成されている。図２は、図１とは視線方向を異ならせたプラズマ発生ユニットＰＵの斜視図、図３は一部透視側面図である。なお、図１〜図３において、Ｘ−Ｘ方向を前後方向、Ｙ−Ｙ方向を左右方向、Ｚ−Ｚ方向を上下方向というものとし、−Ｘ方向を前方向、＋Ｘ方向を後方向、−Ｙを左方向、＋Ｙ方向を右方向、−Ｚ方向を下方向、＋Ｚ方向を上方向として説明する。

プラズマ発生ユニットＰＵは、マイクロ波を利用し、常温常圧でのプラズマ発生が可能なユニットであって、大略的に、マイクロ波を伝搬させる導波管１０、この導波管１０の一端側（左側）に配置され所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置２０、導波管１０に設けられたプラズマ発生部３０、導波管１０の他端側（右側）に配置されマイクロ波を反射させるスライディングショート４０、導波管１０に放出されたマイクロ波のうち反射マイクロ波がマイクロ波発生装置２０に戻らないよう分離するサーキュレータ５０、サーキュレータ５０で分離された反射マイクロ波を吸収するダミーロード６０および導波管１０とプラズマ発生ノズル３１とのインピーダンス整合を図るスタブチューナ７０を備えて構成されている。また搬送手段Ｃは、図略の駆動手段により回転駆動される搬送ローラ８０を含んで構成されている。本実施形態では、平板状のワークＷが搬送手段Ｃにより搬送される例を示している。

導波管１０は、アルミニウム等の非磁性金属から成り、断面矩形の長尺管状を呈し、マイクロ波発生装置２０により発生されたマイクロ波をプラズマ発生部３０へ向けて、その長手方向に伝搬させるものである。導波管１０は、分割された複数の導波管ピースが互いのフランジ部同士で連結された連結体で構成されており、一端側から順に、マイクロ波発生装置２０が搭載される第１導波管ピース１１、スタブチューナ７０が組付けられる第２導波管ピース１２およびプラズマ発生部３０が設けられている第３導波管ピース１３が連結されて成る。なお、第１導波管ピース１１と第２導波管ピース１２との間にはサーキュレータ５０が介在され、第３導波管ピース１３の他端側にはスライディングショート４０が連結されている。

また、第１導波管ピース１１、第２導波管ピース１２および第３導波管ピース１３は、それぞれ金属平板からなる上面板、下面板および２枚の側面板を用いて角筒状に組立てられ、その両端にフランジ板が取付けられて構成されている。なお、このような平板の組み立てによらず、押出し成形や板状部材の折り曲げ加工等により形成された矩形導波管ピースもしくは非分割型の導波管を用いるようにしてもよい。また、断面矩形の導波管に限らず、たとえば断面楕円の導波管を用いることも可能である。さらに、非磁性金属に限らず、導波作用を有する各種の部材で導波管を構成することができる。

マイクロ波発生装置２０は、たとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン等のマイクロ波発生源を具備する装置本体部２１と、装置本体部２１で発生されたマイクロ波を導波管１０の内部へ放出するマイクロ波送信アンテナ２２とを備えて構成されている。本実施形態に係るプラズマ発生ユニットＰＵでは、たとえば１Ｗ〜３ｋＷのマイクロ波エネルギーを出力できる連続可変型のマイクロ波発生装置２０が好適に用いられる。

図３に示すように、マイクロ波発生装置２０は、装置本体部２１からマイクロ波送信アンテナ２２が突設された形態のものであり、第１導波管ピース１１に載置される態様で固定されている。詳しくは、装置本体部２１が第１導波管ピース１１の上面板１１Ｕに載置され、マイクロ波送信アンテナ２２が上面板１１Ｕに穿設された貫通孔１１１を通して第１導波管ピース１１内部の導波空間１１０に突出する態様で固定されている。このように構成されることで、マイクロ波送信アンテナ２２から放出された、たとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、導波管１０により、その一端側（左側）から他端側（右側）に向けて伝搬される。

プラズマ発生部３０は、第３導波管ピース１３の下面板１３Ｂ（処理対象ワークとの対向面）に、左右方向へ一列に整列して突設された８個のプラズマ発生ノズル３１を具備して構成されている。このプラズマ発生部３０の幅員、つまり８個のプラズマ発生ノズル３１の左右方向の配列幅は、平板状ワークＷの搬送方向と直交する幅方向のサイズｔと略合致する幅員とされている。これにより、ワークＷを搬送ローラ８０で搬送しながら、ワークＷの全表面（下面板１３Ｂと対向する面）に対してプラズマ処理が行えるようになっている。なお、８個のプラズマ発生ノズル３１の配列間隔は、導波管１０内を伝搬させるマイクロ波の波長λ_Ｇに応じて定めることが望ましい。たとえば、波長λ_Ｇの１／２ピッチ、１／４ピッチでプラズマ発生ノズル３１を配列することが望ましく、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合は、λ_Ｇ＝２３０ｍｍであるので、１１５ｍｍ（λ_Ｇ／２）ピッチ、或いは５７．５ｍｍ（λ_Ｇ／４）ピッチでプラズマ発生ノズル３１を配列すればよい。

図４は、２つのプラズマ発生ノズル３１を拡大して示す側面図（一方のプラズマ発生ノズル３１は分解図として描いている）、図５は、図４のＡ−Ａ線側断面図である。プラズマ発生ノズル３１は、中心導電体３２（内部導電体）、ノズル本体３３（外部導電体）、ノズルホルダ３４、シール部材３５、保護管３６およびスリーブ３９を含んで構成されている。

中心導電体３２は、銅、アルミ、真鍮などの良導電性の金属から構成され、φ１〜５ｍｍ程度の棒状部材から成り、その上端部３２１の側が第３導波管ピース１３の下面板１３Ｂを貫通して導波空間１３０に所定長さだけ突出（この突出部分を受電手段である受信アンテナ部３２０という）する一方で、下端部３２２がノズル本体３３の下端縁３３１と略面一になるように、上下方向に配置されている。この中心導電体３２には、受信アンテナ部３２０が導波管１０内を伝搬するマイクロ波を受信することで、マイクロ波エネルギー（マイクロ波電力）が与えられるようになっている。当該中心導電体３２は、長さ方向略中間部において、シール部材３５により保持されている。

ノズル本体３３は、良導電性の金属から構成され、中心導電体３２を収納する筒状空間３３２を有する筒状体である。また、ノズルホルダ３４も良導電性の金属から構成され、ノズル本体３３を保持する比較的大径の下部保持空間３４１と、シール部材３５を保持する比較的小径の上部保持空間３４２とを有する筒状体である。一方、シール部材３５は、テフロン（登録商標）等の耐熱性樹脂材料やセラミック等の絶縁性部材から成り、前記中心導電体３２を固定的に保持する保持孔３５１をその中心軸上に備える筒状体から成る。

ノズル本体３３は、上方から順に、ノズルホルダ３４の下部保持空間３４１に嵌合される上側胴部３３Ｕと、後述するガスシールリング３７を保持するための環状凹部３３Ｓと、環状に突設されたフランジ部３３Ｆと、ノズルホルダ３４から突出する下側胴部３３Ｂとを具備している。また、上側胴部３３Ｕには、所定の処理ガスを前記筒状空間３３２へ供給させるための連通孔３３３が穿孔されている。

このノズル本体３３は、中心導電体３２の周囲に配置された外部導電体として機能するもので、中心導電体３２は所定の環状空間Ｈ（絶縁間隔）が周囲に確保された状態で筒状空間３３２の中心軸上に挿通されている。ノズル本体３３は、上側胴部３３Ｕの外周部がノズルホルダ３４の下部保持空間３４１の内周壁と接触し、またフランジ部３３Ｆの上端面がノズルホルダ３４の下端縁３４３と接触するようにノズルホルダ３４に嵌合されている。なお、ノズル本体３３は、たとえばプランジャやセットビス等を用いて、ノズルホルダ３４に対して着脱自在な固定構造で装着されることが望ましい。

ノズルホルダ３４は、第３導波管ピース１３の下面板１３Ｂに穿孔された貫通孔１３１に密嵌合される上側胴部３４Ｕ（上部保持空間３４２の位置に略対応する）と、下面板１３Ｂから下方向に延出する下側胴部３４Ｂ（下部保持空間３４１の位置に略対応する）とを備えている。下側胴部３４Ｂの外周には、処理ガスを前記環状空間Ｈに供給するためのガス供給孔３４４が穿孔されている。図示は省略しているが、このガス供給孔３４４には、所定の処理ガスを供給するガス供給管の終端部が接続するための管継手等が取り付けられる。かかるガス供給孔３４４と、ノズル本体３３の連通孔３３３とは、ノズル本体３３がノズルホルダ３４への定位置嵌合された場合に互いに連通状態となるように、各々位置設定されている。なお、ガス供給孔３４４と連通孔３３３との突き合わせ部からのガス漏洩を抑止するために、ノズル本体３３とノズルホルダ３４との間にはガスシールリング３７が介在されている。

これらガス供給孔３４４および連通孔３３３は、周方向に等間隔に複数穿孔されていてもよく、また中心へ向けて半径方向に穿孔されるのではなく、前述の特許文献１のように、処理ガスを旋回させるように、前記筒状空間３３２の外周面の接線方向に穿孔されてもよい。また、ガス供給孔３４４および連通孔３３３は、中心導電体３２に対して垂直ではなく、処理ガスの流れを良くするために、上端部３２１側から下端部３２２側へ斜めに穿設されてもよい。

シール部材３５は、その下端縁３５２がノズル本体３３の上端縁３３４と当接し、その上端縁３５３がノズルホルダ３４の上端係止部３４５と当接する態様で、ノズルホルダ３４の上部保持空間３４２に保持されている。すなわち、上部保持空間３４２に中心導電体３２を支持した状態のシール部材３５が嵌合され、ノズル本体３３の上端縁３３４でその下端縁３５２が押圧されるようにして組付けられているものである。

保護管３６（図５では図示省略している）は、所定長さの石英ガラスパイプから成り、ノズル本体３３の筒状空間３３２の内径に略等しい外径を有する。したがって、後述するスリーブ３９が嵌め込まれている場合には、その内径に対応したものが選択される。この保護管３６は、ノズル本体３３の下端縁３３１での異常放電（アーキング）を防止して、後述するプルームＰを正常に放射させる機能を有しており、その一部がノズル本体３３の下端縁３３１から突出するように、前記筒状空間３３２に内挿されている。なお、保護管３６は、その先端部が下端縁３３１と一致するように、或いは下端縁３３１よりも内側へ入り込むように、その全体が筒状空間３３２に収納されていてもよい。

前記スリーブ３９は、導電性を有する前記ノズル本体３３の下側胴部３３Ｂと同一の材料から成り、外径が同一で、たとえば図１１（ｂ）〜（ｄ）で示すように、内径が相互に異なる複数種類（図１１では３種類）の筒体３９１〜３９３から成る。前記ノズル本体３３の下側胴部３３Ｂは、図１１（ａ）で示すように、これらの筒体３９１〜３９３の外径に対応した内径に形成されており、前記下側胴部３３Ｂには、後述するようにこれらの筒体３９１〜３９３が適宜選択されて内嵌めされ、或いは何れの筒体３９１〜３９３も取付けられずに使用される。

これによって、前記下側胴部３３Ｂの内周面３３５の内径が縮小可能となり、筒体３９１〜３９３が取付けられた場合のその内周面３９１１〜３９３１または取付けられない場合の下側胴部３３Ｂの内周面３３５と前記中心導電体３２との間が、前記筒状空間３３２となる。前記筒体３９１〜３９３は、導電性を有する、好ましくは下側胴部３３Ｂと同じ材料から成るビス３８によって下側胴部３３Ｂに固着される。なお、筒体３９１〜３９３が取付けられない場合も、ビス３８のねじ孔３３６がガス流や電界分布に影響を与えないように、前記ビス３８はねじ孔３３６を閉塞するように取付けられ、この場合、その先端面３８１は、前記下側胴部３３Ｂの内周面３３５よりも大きく突出しないように締付けられる。

プラズマ発生ノズル３１は上記のように構成されている結果、ノズル本体３３、ノズルホルダ３４および第３導波管ピース１３（導波管１０）は導通状態（同電位）とされている一方で、中心導電体３２は絶縁性のシール部材３５で支持されていることから、これらの部材とは電気的に絶縁されている。したがって、図６に示すように、導波管１０がアース電位とされた状態で、受信手段である中心導電体３２の受信アンテナ部３２０でマイクロ波が受信され、該中心導電体３２にマイクロ波電力が給電されると、その下端部３２２およびスリーブ３９またはノズル本体３３の下端縁３３１の近傍に電界集中部が形成されるようになる。

かかる状態で、ガス供給孔３４４から、たとえば酸素ガスや空気のような酸素系の処理ガスが環状空間Ｈへ供給されると、前記マイクロ波電力により処理ガスが励起されて中心導電体３２の下端部３２２付近においてプラズマ（電離気体）が発生する。このプラズマは、電子温度が数万度であるものの、ガス温度は外界温度に近い反応性プラズマ（中性分子が示すガス温度に比較して、電子が示す電子温度が極めて高い状態のプラズマ）であって、常圧下で発生するプラズマである。

このようにしてプラズマ化された処理ガスは、ガス供給孔３４４から与えられるガス流によりプルームＰとしてノズル本体３３の下端縁３３１から放射される。このプルームＰにはラジカルが含まれ、たとえば処理ガスとして酸素系ガスを使用すると酸素ラジカルが生成されることとなり、有機物の分解・除去作用、レジスト除去作用等を有するプルームＰとすることができる。本実施形態に係るプラズマ発生ユニットＰＵでは、プラズマ発生ノズル３１が複数個配列されていることから、左右方向に延びるライン状のプルームＰを発生させることが可能となる。

因みに、処理ガスとしてアルゴンガスのような不活性ガスや窒素ガスを用いれば、各種基板の表面クリーニングや表面改質を行うことができる。また、フッ素を含有する化合物ガスを用いれば基板表面を撥水性表面に改質することができ、親水基を含む化合物ガスを用いることで基板表面を親水性表面に改質することができる。さらに、金属元素を含む化合物ガスを用いれば、基板上に金属薄膜層を形成することができる。

スライディングショート４０は、各々のプラズマ発生ノズル３１に備えられている中心導電体３２と、導波管１０の内部を伝搬されるマイクロ波との結合状態を最適化するために備えられているもので、マイクロ波の反射位置を変化させて定在波パターンを調整可能とするべく第３導波管ピース１３の右側端部に連結されている。したがって、定在波を利用しない場合は、当該スライディングショート４０に代えて、電波吸収作用を有するダミーロードが取付けられる。

図７は、スライディングショート４０の内部構造を示す透視斜視図である。図７に示すように、スライディングショート４０は、導波管１０と同様な断面矩形の筐体構造を備えており、導波管１０と同じ材料で構成された中空空間４１０を有する筐体部４１と、前記中空空間４１０内に収納された円柱状の反射ブロック４２と、反射ブロック４２の基端部に一体的に取り付けられ前記中空空間４１０内を左右方向に摺動する矩形ブロック４３と、この矩形ブロック４３に組付けられた移動機構４４と、反射ブロック４２にシャフト４５を介して直結されている調整ノブ４６とを備えている。

反射ブロック４２は、マイクロ波の反射面となる先端面４２１が第３導波管ピース１３の導波空間１３０に対向するよう左右方向に延在する円柱体である。この反射ブロック４２は、矩形ブロック４３と同様な角柱状を呈していてもよい。前記移動機構４４は、調整ノブ４６の回転操作により、矩形ブロック４３およびこれと一体化された反射ブロック４２を左右方向に推進若しくは後退させる機構であって、調整ノブ４６を回転させることで反射ブロック４２が中空空間４１０内において矩形ブロック４３にてガイドされつつ左右方向に移動可能とされている。かかる反射ブロック４２の移動による先端面４２１の位置調整によって、定在波パターンが最適化される。なお、調整ノブ４６の回転操作を、ステッピングモータ等を用いて自動化することが望ましい。

サーキュレータ５０は、たとえばフェライト柱を内蔵する導波管型の３ポートサーキュレータからなり、一旦はプラズマ発生部３０へ向けて伝搬されたマイクロ波のうち、プラズマ発生部３０で電力消費されずに戻って来る反射マイクロ波を、マイクロ波発生装置２０に戻さずダミーロード６０へ向かわせるものである。このようなサーキュレータ５０を配置することで、マイクロ波発生装置２０が反射マイクロ波によって過熱状態となることが防止される。

図８は、サーキュレータ５０の作用を説明するためのプラズマ発生ユニットＰＵの上面図である。図示するように、サーキュレータ５０の第１ポート５１には第１導波管ピース１１が、第２ポート５２には第２導波管ピース１２が、さらに第３ポート５３にはダミーロード６０がそれぞれ接続されている。そして、マイクロ波発生装置２０のマイクロ波送信アンテナ２２から発生されたマイクロ波は、矢印ａで示すように第１ポート５１から第２ポート５２を経由して第２導波管ピース１２へ向かう。これに対して、第２導波管ピース１２側から入射する反射マイクロ波は、矢印ｂで示すように、第２ポート５２から第３ポート５３へ向かうよう偏向され、ダミーロード６０へ入射される。

ダミーロード６０は、上述の反射マイクロ波を吸収して熱に変換する水冷型（空冷型でも良い）の電波吸収体である。このダミーロード６０には、冷却水を内部に流通させるための冷却水流通口６１が設けられており、反射マイクロ波を熱変換することにより発生した熱が前記冷却水に熱交換されるようになっている。

スタブチューナ７０は、導波管１０とプラズマ発生ノズル３１とのインピーダンス整合を図るためのもので、第２導波管ピース１２の上面板１２Ｕに所定間隔を置いて直列配置された３つのスタブチューナユニット７０Ａ〜７０Ｃを備えている。図９は、スタブチューナ７０の設置状況を示す透視側面図である。図示するように、３つのスタブチューナユニット７０Ａ〜７０Ｃは同一構造を備えており、第２導波管ピース１２の導波空間１２０に突出するスタブ７１と、該スタブ７１に直結された操作棒７２と、スタブ７１を上下方向に出没動作させるための移動機構７３と、これら機構を保持する外套７４とから構成されている。

スタブチューナユニット７０Ａ〜７０Ｃに各々備えられているスタブ７１は、その導波空間１２０への突出長が各操作棒７２により独立して調整可能とされている。これらスタブ７１の突出長は、たとえばマイクロ波電力パワーをモニタしつつ、中心導電体３２による消費電力が最大となるポイント（反射マイクロ波が最小になるポイント）を探索することで決定される。なお、このようなインピーダンス整合は、必要に応じてスライディングショート４０と連動させて実行される。このスタブチューナ７０の操作も、ステッピングモータ等を用いて自動化することが望ましい。

搬送手段Ｃは、所定の搬送路に沿って配置された複数の搬送ローラ８０を備え、図略の駆動手段により搬送ローラ８０が駆動されることで、処理対象となるワークＷを、前記プラズマ発生部３０を経由して搬送させるものである。ここで、処理対象となるワークＷとしては、プラズマディスプレイパネルや半導体基板のような平型基板、電子部品が実装された回路基板等を例示することができる。また、平型形状でないパーツや組部品等も処理対象とすることができ、この場合は搬送ローラに代えてベルトコンベア等を採用すればよい。

次に、本実施形態に係るワーク処理装置Ｓの電気的構成について説明する。図１０は、ワーク処理装置Ｓの制御系を示すブロック図である。この制御系は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）９０１およびその周辺回路等から成る全体制御部９０と、出力インタフェイスや駆動回路等から成るマイクロ波出力制御部９１、ガス流量制御部９２および搬送制御部９３と、表示手段や操作パネル等から成り、前記全体制御部９０に対して所定の操作信号を与える操作部９５と、入力インタフェイスやアナログ／デジタル変換器等から成るセンサ入力部９６，９７と、センサ９６１，９７１、駆動モータ９３１および流量制御弁９２３とを備えて構成される。

マイクロ波出力制御部９１は、マイクロ波発生装置２０から出力されるマイクロ波のＯＮ−ＯＦＦ制御、出力強度制御を行うもので、前記２．４５ＧＨｚのパルス信号を生成してマイクロ波発生装置２０の装置本体部２１によるマイクロ波発生の動作制御を行う。

ガス流量制御部９２は、プラズマ発生部３０の各プラズマ発生ノズル３１へ供給する処理ガスの流量制御を行うものである。具体的には、ガスボンベ等の処理ガス供給源９２１と各プラズマ発生ノズル３１との間を接続するガス供給管９２２に設けられた前記流量制御弁９２３の開閉制御乃至は開度調整をそれぞれ行う。

搬送制御部９３は、搬送ローラ８０を回転駆動させる駆動モータ９３１の動作制御を行うもので、ワークＷの搬送開始／停止、および搬送速度の制御等を行うものである。

全体制御部９０は、当該ワーク処理装置Ｓの全体的な動作制御を司るもので、操作部９５から与えられる操作信号に応じて、センサ入力部９６から入力される流量センサ９６１の測定結果、センサ入力部９７から入力される速度センサ９７１によるワークＷの搬送速度の測定結果等をモニタし、上記マイクロ波出力制御部９１、ガス流量制御部９２および搬送制御部９３を、所定のシーケンスに基づいて動作制御する。

具体的には、前記ＣＰＵ９０１は、メモリ９０２に予め格納されている制御プログラムに基づいて、ワークＷの搬送を開始させてワークＷをプラズマ発生部３０へ導き、所定流量の処理ガスを各プラズマ発生ノズル３１へ供給させつつマイクロ波電力を与えてプラズマ（プルームＰ）を発生させ、ワークＷを搬送しながらその表面にプルームＰを放射させるものである。これにより、複数のワークＷを連続的に処理する。

上述のように構成されるワーク処理装置Ｓにおいて、マイクロ波の波長は利用可能な帯域の関係で、たとえば前記２．４５ＧＨｚなどに固定され、変化されることは少ないが、ガスの種類や流速、プラズマ発生ノズルの消費電力は変化される可能性がある。したがって、前記式１において、受信電力では内側導電体１の外径ａや外側導電体２の内径ｂに変化が生じ、ガスの種類や流速では比透磁率μや比誘電率εに変化が生じ、プラズマ発生ノズル３１の先端の終端インピーダンス（プラズマインピーダンス）Ｚ２が変化する。このため、本実施の形態では、プラズマ発生ノズル３１の特性インピーダンスＺ１を前記終端インピーダンスＺ２に一致させるように、脱着可能なスリーブ３９を用い、このスリーブ３９を外側導電体であるノズル本体３３の下側胴部３３Ｂの内径を縮小するように嵌め込み、下側胴部３３Ｂと同電位となるように配置することで、当該プラズマ発生ノズルの特性インピーダンスＺ１を調整する。

調整にあたっては、前記スタブチューナ７０の位置で、スタブチューナユニット７０Ａ〜７０の何れかに代えて、パワーメータを設置し、スライディングショート４０の反射ブロック４２を移動させることで、前記特性インピーダンスＺ１と終端インピーダンスＺ２との整合が取れているかどうかを判断して行われる。具体的には、反射ブロック４２を移動させてゆくと、各プラズマ発生ノズル３１の中心導電体３２の受信アンテナ部３２０と、反射ブロック４２の先端面との間の距離が変化するに伴い、導波管１０内の定在波のパターンが変化し、それを前記パワーメータで読取る。

前記定在波は、導波管１０内に中心導電体３２の受信アンテナ部３２０が存在しない場合には、１１５ｍｍ（＝λ_Ｇ／２）周期の正弦波となる。したがって、前記パワーメータで検出すると、図１２において参照符号α１で示すように、１１５ｍｍ（＝λ_Ｇ／２）周期で、正弦波を全波整流したような波形となる。一方、前記受信アンテナ部３２０が存在しても、プラズマ発生ノズル３１の先端での反射が生じておらず（Ｚ１≒Ｚ２）、受信アンテナ部３２０による反射が無い場合は、参照符号α２で示すように、前記波形α１に近い緩やかな山形の波形となる。

これに対して、前記受信アンテナ部３２０が存在し、プラズマ発生ノズル３１の先端で反射が生じており（Ｚ１≠Ｚ２）、受信アンテナ部３２０による反射が有る場合は、図１３で示すように、尖鋭なピークを有する波形となる。図１３の例は、中心導電体３２としてφ＝３ｍｍの真鍮の棒を用い、プラズマ発生ノズル３１として、５７．５ｍｍ（＝λ_Ｇ／４）ピッチで♯１〜♯４の４つのノズルを設け、♯１のノズルがスタブチューナ７０（パワーメータ）側に位置し、♯４のノズルがスライディングショート４０側に位置しているものとし、参照符号α３が♯４のノズル位置での波形を示し、参照符号α４が♯２のノズル位置での波形を示している。この図１３の例では、前記スタブチューナ７０等は、図示していない♯３のノズル位置での定在波が最適となるように調整されている。図１２および図１３では、距離０が反射ブロック４２の先端面（短絡面）である。

したがって、前記ピークを有する波形が、緩やかな山形の波形となるように前記筒体３９１〜３９３を交換することで、前記特性インピーダンスＺ１と終端インピーダンスＺ２とを整合させることができる。実際の調整では、受信電力が決まると、筒体３９１〜３９３が決まり、すなわち前記式１におけるｂが決まり、これによって前記筒状空間３３２での処理ガスの流速が変化するけれども、その後に、プルームＰの大きさが所望とする大きさとなるように流量を調整すると、前記処理ガスの種類、混合比および流量が決まり、前記数１における比透磁率μおよび比誘電率εも決まることになる。これによって、スタブチューナ７０のスタブ７１の突出長およびスライディングショート４０の反射ブロック４２の進退位置が上述の調整によって略決まることになる。なお、用途などに応じて、プラズマ発生ノズル３１の長さを変化しても、該プラズマ発生ノズル３１の終端が上述のように無反射になれば、該プラズマ発生ノズル３１の長さは特性インピーダンスＺ１に影響しなくなり、該特性インピーダンスＺ１は前記式１で表すことができる。

したがって、前記処理ガスの種類、混合比、流量、受信電力などをパラメータとして、それらがどのような値のときに、最適なスタブ７１の突出長、反射ブロック４２の進退位置および使用する筒体３９１〜３９３がどのようになるのかを、メーカやユーザで予め求めておき、記憶しておくことで、パラメータを変化する毎に、パワー測定を行わなくても、特性インピーダンスＺ１と終端インピーダンスＺ２とを整合させることができる。具体的には、前記の対応関係を全体制御部９０のメモリ内に記憶しておき、パラメータの変化を操作部９５の入力手段から入力すると、表示手段に、最適なスタブ７１の突出長、反射ブロック４２の進退位置および筒体３９１〜３９３を表示し、作業者がそれらに応じて調整するようにすればよい。また、前述のように、スタブ７１の突出長や反射ブロック４２の進退位置を、ステッピングモータなどで駆動する場合には、それらを自動調整してもよい。

以上説明したワーク処理装置Ｓによれば、ワーク搬送手段ＣでワークＷを搬送しつつ、導波管１０に複数個配列して取付けられたプラズマ発生ノズル３１からプラズマ化されたガスをワークＷに対して放射することが可能であるので、複数の被処理ワークに対して連続的にプラズマ処理を行うことができ、また大面積のワークに対しても効率良くプラズマ処理を行うことができる。したがって、バッチ処理タイプのワーク処理装置に比較して、各種の被処理ワークに対するプラズマ処理作業性に優れるワーク処理装置Ｓ若しくはプラズマ発生装置ＰＵを提供することができる。しかも、外界の温度および圧力でプラズマを発生させることができるので、真空チャンバー等を必要とせず、設備構成を簡素化することができる。

また、マイクロ波発生装置２０から発生されたマイクロ波を、各々のプラズマ発生ノズル３１が備える中心導電体３２で受信させ、そのマイクロ波のエネルギーに基づきそれぞれのプラズマ発生ノズル３１からプラズマ化されたガスを放出させることができるので、マイクロ波が保有するエネルギーの各プラズマ発生ノズル３１への伝達系を簡素化することができる。したがって、装置構成のシンプル化、コストダウン等を図ることができる。

さらに、複数のプラズマ発生ノズル３１が一列に整列配置されて成るプラズマ発生部３０が、平板状のワークＷの搬送方向と直交する幅方向のサイズｔに略合致した幅員を有しているので、当該ワークＷを、搬送手段Ｃにより一度だけプラズマ発生部３０を通過させるだけで、その全面の処理を完了させることができ、平板状のワークに対するプラズマ処理効率を格段に向上させることができる。また、搬送されて来るワークＷに対して同じタイミングでプラズマ化されたガスを放射できるようになり、均質的な表面処理等を行うことができる。

さらにまた、同心状の中心導電体３２（内側導電体）とノズル本体３３（外側導電体）とを有し、所定の特性インピーダンスＺ１を有するプラズマ発生ノズル３１において、ノズル本体３３の内径をスリーブ３９によって調整可能にしたので、処理ガスの種類や流速、該プラズマ発生ノズル３１の消費電力などの変化によるノズルの終端インピーダンス（プラズマインピーダンス）Ｚ２の変化に対するインピーダンス整合を可能とし、ノズル先端でのマイクロ波の反射を抑え、受信電力の殆どを消費することができる。

しかも、導波管１０にプラズマ発生ノズル３１がマイクロ波の進行方向に直列に複数個配列して取付けられている場合、各プラズマ発生ノズル３１それぞれで、前述のようにスリーブ３９によってプラズマ発生ノズルの特性インピーダンスＺ１を調整し、受信電力を完全に消費すると、反射波（プラズマ発生ノズル３１の受電アンテナ３２０から導波管１０内へ再放射されるマイクロ波）の影響は無くなり、処理ガスの種類や流速などを切換えても、導波管１０内の定在波の位相を調整（スライディングショート４０の進退位置の調整）する必要は無くなり、それぞれのプラズマ発生ノズル３１で、常に高い効率でマイクロ波を受信することができる。

以上、本発明の一実施形態に係るワーク処理装置Ｓについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば下記の実施形態を取ることができる。
（１）上記実施形態では、複数のプラズマ発生ノズル３１を一列に整列配置した例を示したが、ノズル配列はワークＷの形状やマイクロ波電力のパワー等に応じて適宜決定すればよく、たとえばワークＷの搬送方向に複数列プラズマ発生ノズル３１をマトリクス整列したり、千鳥配列したりしてもよい。
（２）上記実施形態では、移動手段としてワークＷを搬送する搬送手段Ｃが用いられ、その搬送手段Ｃとしては搬送ローラ８０の上面にワークＷを載置して搬送する形態を例示したが、この他に、たとえば上下の搬送ローラ間にワークＷをニップさせて搬送させる形態、搬送ローラを用いず所定のバスケット等にワークを収納し前記バスケット等をラインコンベア等で搬送させる形態、或いはロボットハンド等でワークＷを把持してプラズマ発生部３０へ搬送させる形態であってもよい。或いは、移動手段としてはプラズマ発生ノズル３１側を移動させる構成であってもよい。すなわち、ワークＷとプラズマ発生ノズル３１とは、プラズマ照射方向（Ｚ方向）とは交差する面（Ｘ，Ｙ面）上で相対的に移動すればよい。
（３）上記実施形態では、マイクロ波発生源として２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロンを例示したが、マグネトロン以外の各種高周波電源も使用可能であり、また２．４５ＧＨｚとは異なる波長のマイクロ波を用いるようにしてもよい。
（４）導波管１０内におけるマイクロ波電力を測定するために、パワーメータを導波管１０の適所に設置することが望ましい。たとえば、マイクロ波発生装置２０のマイクロ波送信アンテナ２２から放出されたマイクロ波電力に対する反射マイクロ波電力の比を知見するために、サーキュレータ５０と第２導波管ピース１２との間に、パワーメータを内蔵する導波管を介在させるようにすることができる。
（５）上述の例では、特性インピーダンスＺ１を調整するために、ノズル本体３３の下側胴部３３Ｂの内径を縮小するスリーブ３９が用いられているけれども、図１４で示すように、中心導電体３２の外径を拡大するスリーブ３９’が用いられてもよく、またそれらのスリーブ３９，３９’が併用されてもよい。図１４の例は、取付け易くするために、スリーブ３９’は、前記中心導電体３２の外径を拡大する筒状部３９１’と、その一方の端面を閉塞する端板３９２’とを有し、前記中心導電体３２と同一の材料から成る。そして、前記端板３９２’を中心導電体３２の下端部３２２に締付けるビス３８’は、非磁性の絶縁性を有する材料から成る。

本発明に係るワーク処理装置およびプラズマ発生装置は、半導体ウェハ等の半導体基板に対するエッチング処理装置や成膜装置、プラズマディスプレイパネル等のガラス基板やプリント基板の清浄化処理装置、医療機器等に対する滅菌処理装置、タンパク質の分解装置等に好適に適用することができる。

本発明に係るワーク処理装置の全体構成を示す斜視図である。 図１とは視線方向を異ならせたプラズマ発生ユニットの斜視図である。 ワーク処理装置の一部透視側面図である。 ２つのプラズマ発生ノズルを拡大して示す側面図（一方のプラズマ発生ノズルは分解図として描いている）である。 図４のＡ−Ａ線側断面図である。 プラズマ発生ノズルにおけるプラズマの発生状態を説明するための透視側面図である。 スライディングショートの内部構造を示す透視斜視図である。 サーキュレータの作用を説明するためのプラズマ発生ユニットの上面図である。 スタブチューナの設置状況を示す透視側面図である。 ワーク処理装置の制御系を示すブロック図である。 プラズマ発生ノズルの内径を変化することができるスリーブを説明するための斜視図である。 導波管の定在波を説明するための波形図であり、導波管内に受信アンテナが存在しない場合および存在しても受信アンテナによる反射が無い場合を示す。 導波管の定在波を説明するための波形図であり、導波管内に受信アンテナが存在し、それによる反射が有る場合を示す。 本発明の実施の他の形態のスリーブを説明するためのプラズマ発生ノズルの断面図である。 プラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを説明するための模式図である。

符号の説明

１０ 導波管
２０ マイクロ波発生装置（マイクロ波発生手段）
３０ プラズマ発生部
３１ プラズマ発生ノズル
３２ 中心導電体（内部導電体）
３２０ 受信アンテナ部
３３ ノズル本体（外部導電体）
３３Ｂ 下側胴部
３４ ノズルホルダ
３４４ ガス供給孔（ガス供給部）
３６ 保護管
３９，３９’ スリーブ
３９１〜３９３ 筒体
３８ ビス
４０ スライディングショート
５０ サーキュレータ
６０ ダミーロード
７０ スタブチューナ
８０ 搬送ローラ
９０ 全体制御部
９０１ ＣＰＵ
９０２ メモリ
９１ マイクロ波出力制御部
９２ ガス流量制御部
９２１ 処理ガス供給源
９２２ ガス供給管
９２３ 流量制御弁
９３ 搬送制御部
９３１ 駆動モータ
９５ 操作部
９６，９７ センサ入力部
Ｓ ワーク処理装置
ＰＵ プラズマ発生ユニット（プラズマ発生装置）
Ｃ 搬送手段
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 同心状の内側導電体と外側導電体とを有し、所定の特性インピーダンスを有するプラズマ発生ノズルにおいて、
   前記内側導電体と外側導電体との間において、いずれかの導電体と同電位とされて配置され、当該プラズマ発生ノズルの特性インピーダンスを調整するスリーブが脱着可能とされていることを特徴とするプラズマ発生ノズル。
2. 前記スリーブは、導電性を有し、前記内側導電体に外嵌めして該内側導電体の外径を拡大するスリーブと、前記外側導電体に内嵌めして該外側導電体の内径を縮小するスリーブとの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生ノズル。
3. マイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波が導波管を介して伝搬され、プラズマ発生部において、前記請求項２記載のプラズマ発生ノズルが前記導波管に複数個配列して取付けられて成り、
   前記マイクロ波は、前記プラズマ発生ノズルの前記内側導電体で受信され、前記導波管を介して接地されている前記外側導電体との間でプラズマ化したガスを生成して放出することを特徴とするプラズマ発生装置。
4. 前記請求項３記載のプラズマ発生装置に、そのプラズマ照射方向とは交差する面上で前記ワークとプラズマ発生ノズルとを相対的に移動させる移動手段を備え、相対的な移動を行いつつ、前記ワークにプラズマを照射して所定の処理を施与することを特徴とするワーク処理装置。

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