JP2008066159A

JP2008066159A - プラズマ発生装置およびそれを用いるワーク処理装置

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Publication number: JP2008066159A
Application number: JP2006243618A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Mike; 正明三毛; Hiroshi Mankawa; 宏史萬川
Original assignee: Noritsu Koki Co Ltd
Current assignee: Noritsu Koki Co Ltd
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】基板の改質等、ワークの処理などに使用されるプラズマ発生装置において、導波管にプラズマ発生ノズルが複数個取付けられ、複数の被処理ワークや大面積の被処理ワークに対応するにあたって、導波管内でのプラズマ点灯による不具合の発生を抑える。
【解決手段】導波管１０を与圧する通風ファン８０を設けるとともに、導波管１０内のプラズマ発光を検知する光センサ９８１を設け、前記与圧によってプラズマ発生ノズル３１側よりも導波管１０内でのプラズマ点灯を生じ難くするとともに、点灯が生じても、制御手段がマイクロ波発生装置を停止させ、また処理ガス供給を停止させる。これによって、導波管内でのプラズマ点灯を防止し、プラズマ発生ノズル３１における受信アンテナの損耗などの前記導波管１０内でのプラズマ点灯による不具合の発生を抑えることができる。
【選択図】図１

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装置および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

上述の従来技術では、単体のプラズマ発生ノズルが示されているだけで、しかもマイクロ波の伝搬には同軸ケーブルが用いられている。したがって、大パワーのマイクロ波を伝搬することができず、前記大パワーのマイクロ波を伝搬するには、導波管を用いる必要がある。また、前記導波管を用いることで、複数のプラズマ発生ノズルに効率的にマイクロ波を伝搬することができる。

しかしながら、マイクロ波の伝搬に導波管を用いると、プラズマ発生ノズルでプラズマが点灯せず、その受信アンテナと導波管との間でプラズマ点灯してしまうことがある。特に複数のプラズマ発生ノズルが設けられる場合には、点灯しないノズルが現れる可能性が高く、導波管内でのプラズマ点灯の確率がより高くなる。導波管内でプラズマ点灯してしまうと、前記被処理ワークの処理が行えなくなるだけでなく、前記受信アンテナの損耗やプラズマ発生ノズルが高温になって前記受信アンテナ絶縁支持体が破損するなどの不具合が発生する。

本発明の目的は、マイクロ波の伝搬に導波管を用いる構成において、その導波管内でのプラズマ点灯による不具合の発生を抑えることができるプラズマ発生装置および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装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波を伝搬する導波管と、前記導波管に取付けられ、前記マイクロ波を受信してそのエネルギーに基づきプラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズルとを備えて構成されるプラズマ発生装置において、前記導波管内を与圧する与圧手段を含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、マイクロ波発生手段からのマイクロ波が導波管を介して伝搬されるプラズマ発生装置において、与圧手段を設け、前記導波管内を与圧する。

したがって、前記導波管内はプラズマ点灯し難い状況となり、プラズマ発生ノズル側での点灯がより高い確率で行われるようになる。これによって、導波管内でのプラズマ点灯を防止し、プラズマ発生ノズルにおける受信アンテナの損耗などの前記導波管内でのプラズマ点灯による不具合の発生を抑えることができる。

また、本発明のプラズマ発生装置では、前記与圧手段は、通風ファンであることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記与圧だけでなく、導波管内を冷却することもでき、導波管内でのプラズマ点灯をより確実に防止することができる。また、酸素などのプラズマ点灯し難いガスを供給することで、導波管内でのプラズマ点灯をより一層確実に防止することができる。

さらにまた、本発明のプラズマ発生装置では、前記プラズマ発生ノズルは、前記導波管に複数個配列して取付けられることを特徴とする。

上記の構成によれば、複数のプラズマ発生ノズルを設けた場合、点灯しないノズルが現れる確率も高くなり、したがって前記導波管内でのプラズマ点灯の確率が高くなるので、本発明が効果的である。

また、本発明のプラズマ発生装置は、前記導波管内に設けられ、プラズマ点灯を検知する光センサと、前記光センサによってプラズマ点灯が検知されると、前記マイクロ波発生手段を停止させ、またはガス供給源に処理ガスの供給を停止させる制御手段とをさらに備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、上述のようにして導波管内でのプラズマ点灯が抑えられているが、それでもプラズマ点灯してしまった場合に、光センサによってそのことを検知し、制御手段が前記マイクロ波発生手段を停止させ、またはガス供給源に処理ガスの供給を停止させるので、点灯してしまったプラズマを消灯させることができる。

さらにまた、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、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、処理対象とされるワークを搬送しつつ該ワークにプラズマを照射して所定の処理を連続して施与してゆくワーク処理装置において、導波管内を与圧する与圧手段を設ける前記のプラズマ発生装置を用いることで、導波管内でのプラズマ点灯による不具合の発生を抑え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装置は、以上のように、マイクロ波発生手段からのマイクロ波が導波管を介して伝搬されるプラズマ発生装置において、与圧手段を設け、前記導波管内を与圧する。

それゆえ、前記導波管内はプラズマ点灯し難い状況となり、プラズマ発生ノズル側での点灯がより高い確率で行われるようになる。これによって、導波管内でのプラズマ点灯を防止し、プラズマ発生ノズルにおける受信アンテナの損耗などの前記導波管内でのプラズマ点灯による不具合の発生を抑えることができる。

さらにまた、本発明のワーク処理装置は、以上のように、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、処理対象とされるワークを搬送しつつ該ワークにプラズマを照射して所定の処理を連続して施与してゆくワーク処理装置において、導波管内を与圧する与圧手段を設ける前記のプラズマ発生装置を用いる。

それゆえ、導波管内でのプラズマ点灯による不具合の発生を抑え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。

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、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および導波管１０内を与圧する送風ファン８０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Ｃ１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Ｃ１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（内側導電体）、ノズル本体３３（外側導電体）、ノズルホルダ３４、シール部材３５および保護管３６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等から成り、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。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。

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、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た反射マイクロ波を、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。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、図３で示すように第２導波管ピース１２の導波空間１２０に突出するスタブ７１を、上下方向に出没動作させることで中心導電体３２による消費電力が最大、すなわち反射マイクロ波を最小として、プラズマ点火を生じ易くするものである。

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Ｃ１を備え、図略の駆動手段により搬送ローラＣ１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。

上述のように構成されるワーク処理装置Ｓにおいて、注目すべきは、本実施の形態では、前記ダミーロード６０の先端に、導波管１０内を与圧する与圧手段である通風ファン８０が設けられていることである。これに対応して、図１の分解斜視図で示すように、前記ダミーロード６０の先端を覆う端板６２は、パンチングメタル或いは金網などから成り、多数の開口６３を有し、それら多数の開口の幅は、マイクロ波の波長λ_Ｇの１／２以下、好ましくは１／８以下に短くされて、マイクロ波の漏洩が防止されている。同様に、図７で示すように、スライディングショート４０の先端を覆う端板４７も、前記パンチングメタル或いは網などから成り、多数の開口４８を有する。

ただし、前記開口４８の数および径は、前記開口６３の数および径に対して、導波管１０内の圧力を高められるように、すなわち開口４８側の総開口面積が開口６３側の総開口面積に比べて狭くなるように設定されている。また、それらの総開口面積の比は、通風ファン８０の能力に基づいて設定される。これによって、たとえば前記プラズマ発生ノズル３１のガス供給孔３４４から与えられるガス流によって、環状空間Ｈのガス圧が、たとえば４〜５ｋｇ／ｃｍ^２であるのに対して、導波管１０内の圧力がそれよりも高くなるように設定される。

なお、本実施の形態では、上述のように同心状に配置される中心導電体３２（内側導電体）とノズル本体３３（外側導電体）との間の環状空間Ｈに処理ガスを旋回させながら供給することで、常温・常圧下で高密度なプラズマ発生を可能にしたプラズマ発生ノズル３１を用いており、さらに減圧の雰囲気や高圧の雰囲気で使用されるプラズマ発生装置の場合には、その雰囲気圧力に適応して、導波管１０内の圧力が定められればよい。また、プラズマ発生ノズル３１側に比べて、導波管１０側でのプラズマ点灯が生じ難くすればよく、必ずしも導波管１０側を高圧にする必要はない。たとえば、導波管１０側にプラズマ点灯し難い酸素を充填し、プラズマ発生ノズル３１側ではプラズマ点灯し易いアルゴンガスを用いる場合には、導波管１０側の圧力が低くてもプラズマ点灯し難くなる。すなわち、本発明では、導波管１０内を与圧することで、与圧しない場合よりも導波管１０内でのプラズマ点灯を生じ難くすればよく、相対的な圧力比などは、使用条件などに応じて適宜設定されればよい。

このように構成することで、マイクロ波発生装置２０からのマイクロ波を導波管１０を介して伝搬するにあたって、前記通風ファン８０によって導波管１０内を与圧しておくことで、前記図６において参照符号Ｐ’で示すような導波管１０内でのプラズマ点灯を抑え、プラズマ発生ノズル３１側での点灯がより高い確率で行われるようにすることができる。これによって、受信アンテナ部３２０の損耗や、その受信アンテナ３２０の絶縁支持体であるシール部材３５の損傷などの前記導波管１０内でのプラズマ点灯による不具合の発生を抑えることができる。

このような構成は、導波管１０にプラズマ発生ノズル３１が複数個配列して取付けられた場合、点灯しないノズルが現れる確率も高くなり、したがって前記導波管１０内でのプラズマ点灯の確率が高くなるので、特に効果的である。

ここで、導波管１０内の圧力を高め、プラズマ点灯を生じなくするだけであれば、前記端板６２，４７を孔開き形状とせず、導波管１０の一部をコンプレッサーなどに接続するだけでもよいが、与圧手段として通風ファン８０を用いるとともに、孔が開いた前記端板６２，４７を用いることで、前記与圧だけでなく、通風ファン８０−ダミーロード６０−サーキュレータ５０−スタブチューナ７０−プラズマ発生部３０−スライディングショート４０の経路で通風を行い、導波管１０内を冷却することもでき、該導波管１０内でのプラズマ点灯をより確実に防止することができる。また、酸素などのプラズマ点灯し難いガスを供給することで、導波管１０内でのプラズマ点灯をより一層確実に防止することができる。

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９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、搬送制御部９３およびファン駆動部９９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９６，９７，９８と、センサ９６１，９７１，９８１と、駆動モータ９３１と、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の開度調整を行う。

搬送制御部９３は、搬送ローラＣ１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。ファン駆動部９９は、前記通風ファン８０のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うものである。

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、センサ入力部９８から入力される光センサ９８１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、搬送制御部９３およびファン駆動部９９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、ファン駆動部９９を介して通風ファン８０をＯＮし、前述のように導波管１０内を与圧させてプラズマ点灯を抑えている状態で、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。マイクロ波パワーおよび処理ガス流量を制御することでプルームＰの大きさを制御することができ、搬送速度を制御することで、プルームＰの照射量を制御することができる。このようにして、複数のワークＷを連続的に処理する。

このとき、注目すべきは、制御手段である前記ＣＰＵ９０１は、図１や図２などで示すように、プラズマ発生部３０の第３導波管ピース１３の側壁１３Ｓに形成された検知孔１３Ｈに取付けられ、該導波管１０内の光を検知することができる光センサ９８１からの出力をセンサ入力部９８を介してモニタしており、前記参照符号Ｐ’で示すようなプラズマ点灯を検知すると、マイクロ波出力制御部９１を介して前記マイクロ波発生装置２０を停止させるとともに、ガス流量制御部９２を介して流量制御弁９２３に処理ガスの供給を停止させ、点灯しかけたプラズマを直ちに消灯させる。その後は、停止したままとなって作業者によって再起動されてもよく、所定時間経過後に自動的に再起動するようにしてもよい。

なお、前記導波管１０内でのプラズマ点灯が生じるのは、点灯時であるので、プラズマ点灯から所定時間経過しても、前記センサ入力部９８を介して光センサ９８１によって導波管１０内でのプラズマ点灯が検出されない場合には、前記ＣＰＵ９０１は、ファン駆動部９９を介して通風ファン８０をＯＦＦしてもよい。その場合、ワークＷが間欠的に搬送されるのであれば、その搬送に先立って、所定時間前から通風ファン８０がＯＮされればよく、また前述のように導波管１０内を冷却するために、任意のタイミングで通風ファン８０がＯＮされてもよい。

このように構成することで、前述のようにして導波管１０内でのプラズマ点灯を抑えていても、それでもプラズマ点灯してしまった場合に、点灯してしまったプラズマを速やかに消灯させることができる。

なお、特開２００２−１９８２００号公報に、導波管内部でプラズマ放電が発生した場合に、プラズマ粒子が導波管の内壁面に衝突してガスが発生することによる圧力上昇を検知し、マイクロ波発振器のパワーを低下させたり停止させたりすることが示されている。しかしながら、本発明のように導波管内の圧力を上げてプラズマ点灯自体を起り難くすることは、到底想到し得るはずもない。また、点灯したプラズマの検知も、光センサ９８１を用いる本発明の方が応答性が高く、すなわち定常的な点灯に移る前の灯き始めの段階で検知することができ、上述のように完全に停止するのではなく、マイクロ波パワーや処理ガスの流量を抑えるなどして、直ちにそのような不安定な状態を脱し、ワークＷの処理を継続して行うようにすることもできる。

また、ダミーロード６０の端板６２の開口６３から通風ファン８０を介して、およびスライディングショート４０の端板４７の開口４８を介して、外部からの光が入射する可能性があるが、それによる光センサ９８１のプラズマ光の検知に影響が生じる場合は、通風経路、特にスライディングショート４０の端板４７側の経路に遮光の邪魔を交互に配置して前記経路をクランク状の折り曲げ形状とし、内部に艶消し塗装などを施すことで対応することができる。さらにまた、前記光センサ９８１は、第３導波管ピース１３の端部側に１個だけ設けられて複数のプラズマ発生ノズル３１のいずれかにおいてプラズマ点灯が生じたことを検知するので、該第３導波管ピース１３の内面には艶出し塗装を施すことが望ましく、或いは該光センサ９８１を必要なだけ適宜設けるようにしてもよい。

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。

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Ｃ１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。

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。ワーク処理装置の制御系を示すブロック図である。

符号の説明

１０導波管
２０マイクロ波発生装置
３０プラズマ発生部
３１プラズマ発生ノズル
３２中心導電体
３３ノズル本体
３４ノズルホルダ
３４４ガス供給孔
４０スライディングショート
４７，６２端板
４８，６３開口
５０サーキュレータ
６０ダミーロード
７０スタブチューナ
８０通風ファン
９０全体制御部
９０１ＣＰＵ
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
９６，９７，９８センサ入力部
９８１光センサ
９９ファン駆動部
Ｓワーク処理装置
ＰＵプラズマ発生ユニット
Ｃ搬送手段
Ｃ１搬送ローラ
Ｗワーク

Claims

マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波を伝搬する導波管と、前記導波管に取付けられ、前記マイクロ波を受信してそのエネルギーに基づきプラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズルとを備えて構成されるプラズマ発生装置において、
前記導波管内を与圧する与圧手段を含むことを特徴とするプラズマ発生装置。
前記与圧手段は、通風ファンであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
前記プラズマ発生ノズルは、前記導波管に複数個配列して取付けられる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。
前記導波管内に設けられ、プラズマ点灯を検知する光センサと、
前記光センサによってプラズマ点灯が検知されると、前記マイクロ波発生手段を停止させ、またはガス供給源に処理ガスの供給を停止させる制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記請求項１〜４のいずれか１項に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。